I vecchi approcci alla conversione di corrente come i regolatori lineari possono presentare un rumore basso, tuttavia i requisiti di dissipazione del calore ed efficienza possono richiedere soluzioni più avanzate. In questo articolo di ADI, scopri in che modo il dispositivo LT8614 Silent Switcher™ garantisce soppressione EMI ed elevata efficienza nelle applicazioni più impegnative.
Quando ridurre al minimo le interferenze elettromagnetiche (EMI) è una priorità di progettazione, un regolatore lineare può rappresentare una soluzione a basso rumore, ma i requisiti di dissipazione del calore ed efficienza possono precludere tale scelta e portare alla selezione di un regolatore di commutazione. Anche nelle applicazioni sensibili alle interferenze elettromagnetiche, un regolatore di commutazione è in genere il primo componente attivo sulla linea del bus di alimentazione in ingresso e, indipendentemente dai convertitori a valle, influisce in modo significativo sulle prestazioni EMI complessive del convertitore. Fino ad ora, non esisteva un modo sicuro per garantire la soppressione delle interferenze elettromagnetiche e il raggiungimento dei requisiti di efficienza tramite la selezione dei circuiti integrati di corrente. Ora, il regolatore LT8614 Silent Switcher™ rende possibile tutto ciò.
Il dispositivo LT8614 riduce le interferenze elettromagnetiche di oltre 20 dB rispetto agli attuali regolatori di commutazione più all'avanguardia. In confronto, riduce le interferenze EMI di 10 volte nella gamma di frequenza superiore a 30 MHz senza compromettere i tempi ON e OFF minimi o l'efficienza in un'area della scheda equivalente. Raggiunge questo obiettivo senza componenti aggiuntivi o schermatura e ciò rappresenta un significativo passo avanti nella progettazione dei regolatori di commutazione.
Una nuova soluzione per i problemi legati alle interferenze elettromagnetiche
La soluzione collaudata ai problemi legati alle interferenze elettromagnetiche consiste nell'utilizzare una scatola schermata per l'intero circuito. Naturalmente, ciò aggiunge costi significativi in termini di spazio sulla scheda, componenti e assemblaggio, complicando al contempo la gestione termica e i test. Un altro metodo consiste nel rallentare i fronti di commutazione. Ciò, tuttavia, comporta l'effetto indesiderato di ridurre l'efficienza, aumentare i tempi ON e OFF minimi e i relativi tempi morti e compromette la velocità del loop di controllo della corrente.
Il regolatore LT8614 Silent Switcher offre i vantaggi di una scatola schermata senza utilizzarne una (vedere la figura 1). La soluzione LT8614 presenta un basso IQ di 2,5 µA di corrente d'alimentazione totale consumata dal dispositivo, in regolazione senza carico, caratteristica importante per i sistemi sempre attivi.
Figura 1. Il dispositivo LT8614 Silent Switcher riduce al minimo le emissioni EMI/EMC, garantendo al contempo un'efficienza elevata a frequenze fino a 3 MHz.
Il suo dropout estremamente basso è limitato solo dall'interruttore superiore interno. A differenza di altre soluzioni, il limite VIN-VOUT del dispositivo LT8614 non è limitato dal ciclo di servizio massimo e dai tempi OFF minimi. Il dispositivo salta i cicli di spegnimento in dropout ed esegue solo i cicli di OFF minimi richiesti per mantenere la tensione di boost dell'interruttore superiore interno, come mostrato nella figura 6.
Allo stesso tempo, la tensione in entrata operativa minima è di soli 2,9 V tipici (massima 3,4 V), il che gli consente di alimentare una linea da 3,3 V con la parte in dropout. A correnti elevate, il dispositivo LT8614 ha un'efficienza maggiore rispetto a dispositivi simili, poiché la sua resistenza di commutazione totale è inferiore.
Il dispositivo LT8614 può essere sincronizzato a una frequenza esterna che opera da 200 kHz a 3 MHz. Le perdite di commutazione in CA sono basse, quindi il dispositivo può funzionare a frequenze di commutazione elevate con una perdita di efficienza minima. Nelle applicazioni sensibili alle interferenze elettromagnetiche, come quelle comunemente realizzate in molti ambienti automotive, è possibile ottenere un buon equilibrio e il dispositivo LT8614 può funzionare sia al di sopra della banda AM, che al di sotto della banda AM, per EMI ancora più contenute. In una configurazione con una frequenza di commutazione operativa di 700 kHz, la scheda dimostrativa standard di LT8614 non supera il rumore di fondo previsto dalla norma CISPR25, Classe 5.
La figura 2 mostra le misurazioni effettuate in una camera anecoica con ingresso a 12 V, uscita a 3,3 V a 2 A con una frequenza di commutazione fissa di 700 kHz. Per confrontare la tecnologia del dispositivo LT8614 Silent Switcher con un altro regolatore di commutazione all'avanguardia, le misurazioni sono state effettuate rispetto alla soluzione LT8610 (vedere la figura 3). Il test è stato eseguito in una cella GTEM utilizzando lo stesso carico, la stessa tensione in entrata e lo stesso induttore sulle schede dimostrative standard di entrambe le parti.
Figura 2. La scheda LT8614 soddisfa lo standard CISPR25 sulle emissioni irradiate in una camera anecoica. Il rumore di fondo è pari alle emissioni irradiate del dispositivo LT8614.
Figura 3. Confronto delle emissioni irradiate per i dispositivi LT8614 ed LT8610.
Si può notare che, utilizzando la tecnologia del dispositivo LT8614 Silent Switcher, è possibile ottenere un miglioramento fino a 20 dB rispetto alle già ottime prestazioni EMI del dispositivo LT8610, soprattutto nella zona delle alte frequenze che sono più difficili da gestire.
Nel dominio del tempo, il dispositivo LT8614 mostra un comportamento molto positivo sui fronti dei nodi di commutazione, come mostrato nelle figure 4 e 5. Persino a 4 ns/div, il regolatore LT8614 Silent Switcher mostra un ringing minimo. Al contrario, il dispositivo LT8610 smorza correttamente il ringing come mostrato nella figura 4, ma si può notare la maggiore energia accumulata nell'hot loop rispetto a quanto avviene con il dispositivo LT8614 (figura 4).
Figura 4. Confronto dei fronti di salita dei nodi di commutazione per i dispositivi LT8614 Silent Switcher ed LT8610.
La figura 5 mostra il nodo di commutazione a 13,2 V in ingresso e come il dispositivo LT8614 raggiunga un'onda quadra quasi ideale in corrispondenza del nodo di commutazione. Tutte le misurazioni nel dominio del tempo nelle figure 4, 5 e 6 vengono effettuate con sonde Tektronix P6139A da 500 MHz, con un collegamento schermato sulla punta della sonda con il piano GND del PCB. Per entrambe le parti vengono utilizzate schede dimostrative pronte all'uso.
Figura 5. L'onda quadra quasi ideale in corrispondenza del nodo di commutazione del dispositivo LT8614 consente un funzionamento a basso rumore.
I valori nominali massimi assoluti di tensione d'ingresso di 42 V della famiglia LT861x sono importanti per gli ambienti automotive e industriali. Altrettanto importante, specialmente nel settore automotive, è il comportamento in dropout. Spesso le alimentazioni logiche critiche da 3,3 V devono essere supportate da condizioni di avviamento a freddo. In questo caso, il regolatore LT8614 Silent Switcher mantiene un comportamento ideale molto simile a quello della famiglia LT861x. Invece delle tensioni di blocco di sottotensione più alte e dei blocchi del ciclo di servizio massimo delle parti alternative, i dispositivi LT8610/11/14 funzionano fino a 3,4 V e iniziano a saltare i cicli non appena necessario, come mostrato nella figura 6. Ciò si traduce nel comportamento in dropout ideale mostrato nella figura 7.
Figura 6. Comportamento in dropout del nodo di commutazione per i dispositivi LT8614 ed LT8610.
Figura 7. Prestazioni in dropout del dispositivo LT8614. Come altri dispositivi della famiglia LT861x, questa soluzione funziona fino a 3,4 V e inizia a saltare i cicli non appena necessario.
Il tempo ON minimo del dispositivo LT8614 pari a 30 ns consente ampi rapporti di step-down anche a frequenze di commutazione elevate. Di conseguenza, il dispositivo è in grado di fornire tensioni del core logico con un solo step-down da ingressi fino a 42 V.
Conclusione
È ben noto che le considerazioni relative alle interferenze elettromagnetiche richiedono un'attenta valutazione durante la progettazione iniziale dei convertitori, in modo da riuscire a superare i test EMI una volta completato il sistema. Il regolatore LT8614 Silent Switcher consente di garantire il successo grazie alla semplice selezione del circuito integrato di alimentazione. Il dispositivo LT8614 riduce le interferenze elettromagnetiche rispetto agli attuali regolatori di commutazione più all'avanguardia di oltre 20 dB, aumentando nel contempo l'efficienza di conversione e rendendo inutili componenti o schermature aggiuntivi.
Regolatori di commutazione ed EMI
Il layout dei circuiti stampati determina il successo o il fallimento di qualsiasi alimentatore. Esso determina il comportamento funzionale, termico e delle interferenze elettromagnetiche (EMI). Sebbene il layout degli alimentatori a commutazione non sia oscuro quanto la magia nera, spesso può essere trascurato nel processo iniziale di progettazione. Poiché i requisiti funzionali e quelli relativi alle interferenze elettromagnetiche devono essere soddisfatti, ciò che va bene per la stabilità funzionale dell'alimentatore, va generalmente bene anche per le sue emissioni EMI. Va tenuto presente che un buon layout stabilito fin dall'inizio non aggiunge costi, ma può in realtà determinare dei risparmi, eliminando la necessità di filtri EMI, schermature meccaniche, tempi aggiuntivi per i test EMI e le revisioni dei PCB.
Esistono due tipi di emissioni EMI: condotte e irradiate. Le emissioni condotte viaggiano sui fili e sulle tracce che si collegano a un prodotto. Poiché il rumore è localizzato su un terminale o un connettore specifico del progetto, la conformità ai requisiti sulle emissioni condotte può spesso essere assicurata relativamente presto nel processo di sviluppo con un buon layout e una progettazione oculata dei filtri.
Le emissioni irradiate, tuttavia, sono diverse. Qualsiasi componente che trasporti corrente e sia presente sulla scheda irradia un campo elettromagnetico. Ogni traccia sulla scheda è un'antenna e ogni piano di rame funge da specchio. Qualsiasi cosa, diversa da un'onda sinusoidale pura o da una tensione CC, genera un ampio spettro del segnale. Anche con una progettazione attenta, un progettista non sa mai veramente quanto saranno significative le emissioni irradiate fino a quando il sistema non viene testato. E i test per le emissioni irradiate non possono essere eseguiti formalmente fino a quando il progetto non è sostanzialmente completo.
I filtri vengono spesso utilizzati per ridurre le interferenze elettromagnetiche, attenuandone la forza a una certa frequenza o su un determinato intervallo di frequenze. Una parte dell'energia che viaggia nello spazio (irradiata) viene attenuata aggiungendo dei lamierini che funzionano da schermi magnetici. La parte più bassa delle frequenze, che viaggia sulle tracce del PCB (condotta), viene ridotta aggiungendo nuclei di ferrite e altri filtri. L'interferenza elettromagnetica non può essere eliminata, ma può essere attenuata a un livello accettabile dagli altri componenti di comunicazione e digitali. Inoltre, diversi enti di regolamentazione applicano degli standard a garanzia della conformità.
I moderni filtri di ingresso nella tecnologia a montaggio superficiale hanno prestazioni migliori rispetto ai rispettivi componenti a foro passante. Tuttavia, questo miglioramento è superato dall'aumento delle frequenze operative di commutazione dei regolatori di commutazione. Maggiore efficienza e tempi ON e OFF minimi si traducono in un contenuto armonico più elevato, grazie a transizioni di commutazione più rapide.
Per ogni raddoppio della frequenza di commutazione, l'interferenza elettromagnetica peggiora di 6 dB, mentre tutti gli altri parametri, come la capacità di commutazione e i tempi di transizione, rimangono costanti. L'EMI a banda larga si comporta come un passa-alto di primo ordine con emissioni superiori di 20 dB, se la frequenza di commutazione aumenta di 10 volte.
I progettisti di PCB esperti ridurranno gli hot loop e utilizzeranno strati di messa a terra di schermatura il più vicino possibile allo strato attivo. Tuttavia, la piedinatura dei dispositivi, la struttura del package, i requisiti di progettazione termica e le dimensioni del package necessarie per un adeguato accumulo di energia nei componenti di disaccoppiamento imporranno una dimensione minima dell'hot loop. A complicare ulteriormente le cose, nei PCB planari standard, l'accoppiamento, magnetico o con trasformatore, tra tracce superiori a 30 MHz ridurrà tutti gli sforzi del filtro, poiché più alte diventano le frequenze, più efficace diventa l'accoppiamento indesiderato, sia magnetico che dell'antenna.
Il potenziale problema di interferenze e rumore può essere aggravato quando più regolatori di commutazione CC/CC sono messi in parallelo per condividere la corrente e fornire una maggiore potenza in uscita. Se tutti funzionano (commutano) a una frequenza simile, l'energia combinata generata da più regolatori in un circuito è concentrata su quella frequenza e sulle sue armoniche. La presenza di questa energia può diventare un problema, soprattutto per il resto dei circuiti integrati sul PCB e su altre schede di sistema vicine l'una all'altra e sensibili a questa energia irradiata. Ciò può essere particolarmente problematico nei sistemi automotive densi di componenti e spesso posti in prossimità di sistemi audio, RF, bus CAN e vari sistemi di ricezione.