Cómo resolver los problemas de ruido, eficiencia y diseño de CC/CC mediante módulos de alimentación integrados

No parece difícil construir un regulador CC/CC básico (reductor) para voltajes bajos de 10 voltios (típicos) o menos y niveles de corriente modestos de unos 2 a 15 amperios (A). El diseñador solo tiene que seleccionar un CI regulador de conmutación adecuado y añadir algunos componentes pasivos utilizando el circuito de ejemplo de la hoja de datos o la nota de aplicación. Pero, ¿está el diseño realmente hecho y listo para pasar a la fase piloto, o incluso a la de producción? Probablemente, no.

Aunque el regulador proporciona el raíl de CC deseado, sigue teniendo varios problemas y cuestiones potenciales. En primer lugar, la eficiencia puede no cumplir los objetivos del proyecto o los requisitos normativos, lo que aumenta el impacto térmico, además de reducir la vida útil de la batería. En segundo lugar, es posible que se necesiten componentes adicionales para garantizar un arranque adecuado, un rendimiento transitorio y una baja ondulación, lo que a su vez afecta al tamaño, al tiempo de comercialización y a la lista de materiales (BOM) general. Por último, y tal vez lo más difícil, el diseño puede no cumplir con las limitaciones cada vez más estrictas en materia de interferencias electromagnéticas (EMI) o interferencias de radiofrecuencia (RFI) definidas por los diversos mandatos normativos, lo que exige un rediseño o más componentes y pruebas adicionales.

Este artículo describe la diferencia entre las expectativas y el rendimiento entre un diseño básico de regulador CC/CC y uno superior que cumpla o supere los requisitos de eficiencia, bajo ruido radiado y de ondulación, y la integración general. A continuación, el artículo presenta los µmódulos Silent Switcher de Analog Devices y muestra cómo utilizarlos para resolver múltiples problemas de reguladores reductores CC/CC.

Los CI hacen que parezca fácil, al principio

Los reguladores CC/CC (reductores) se utilizan ampliamente para proporcionar rieles CC. Un sistema típico puede tener decenas de ellos proporcionando diferentes tensiones de carril o carriles físicamente separados a la misma tensión. Estos reguladores reductores suelen tomar una tensión más alta, normalmente entre 5 y 36 voltios de CC, y la regulan hasta un valor de un solo voltaje a unos pocos o bajos amperios de dos dígitos (Figura 1).

Figura 1: La función del regulador CC/CC (convertidor) es sencilla: Tomar una fuente de CC no regulada, que puede proceder de una batería o de una línea de CA rectificada y filtrada, y proporcionar un raíl de CC estrictamente regulado como salida. (Fuente de la imagen: Electronic Clinic)

Hay buenas y malas noticias a la hora de construir un regulador reductor básico. La buena noticia es que construir uno que proporcione un rendimiento nominalmente "suficiente" no suele ser difícil. Hay muchos circuitos integrados de conmutación disponibles para hacer la mayor parte de la tarea que sólo necesitan un único transistor de efecto de campo (FET) (o ninguno) y unos pocos componentes pasivos para completar el trabajo. La tarea es aún más fácil porque la hoja de datos del CI regulador casi siempre muestra un circuito de aplicación típico con un esquema, un diseño de placa y una lista de materiales que puede proporcionar los nombres de los proveedores de componentes y los números de pieza.

El dilema de la ingeniería es que un "buen" nivel de rendimiento puede no ser adecuado con respecto a algunos parámetros de rendimiento del regulador no evidentes. Aunque el raíl de CC de salida puede suministrar suficiente corriente con una adecuada regulación de línea/carga y respuesta transitoria, estos factores son solo el principio de la historia de los rieles de potencia.

La realidad es que, además de esos criterios básicos de rendimiento, un regulador también es evaluado por otros factores, algunos de los cuales están impulsados por imperativos externos. Las tres cuestiones críticas que la mayoría de los reguladores deben abordar no son necesariamente evidentes, únicamente desde la perspectiva simplista de un bloque funcional que acepta una entrada de CC no regulada y proporciona una salida de CC regulada. Son (Figura 2):

• Frío: Alta eficiencia y mínimo impacto térmico asociado.
• Silencioso: baja ondulación para un rendimiento del sistema sin errores, además de una baja EMI para cumplir con las normas de ruido radiado (no acústico).
• Completa: Una solución integrada que minimiza el tamaño, el riesgo, la lista de materiales, el tiempo de comercialización y otras preocupaciones "blandas".

Figura 2: Un regulador de CC/CC debe hacer algo más que suministrar un riel de alimentación estable; también debe ser frío y eficiente, ser "silencioso" ante la EMI y ser funcionalmente completo. (Fuente de la imagen: Math.stackexchange.com; modificado por el autor)

Abordar estos problemas conlleva una serie de retos, y resolverlos puede convertirse en una experiencia frustrante. Esto está en consonancia con la "regla 80/20", según la cual el 80% del esfuerzo se dedica a realizar el último 20% de la tarea. Si analizamos los tres factores con más detalle:

Genial: Todos los diseñadores quieren una alta eficiencia, pero ¿exactamente cómo de alta y a qué costo? La respuesta es la de siempre: depende del proyecto y de sus compensaciones. Una mayor eficiencia es importante por tres razones principales:

1. Se traduce en un producto más frío que mejora la fiabilidad, puede permitir el funcionamiento a una temperatura más alta, puede eliminar la necesidad de la refrigeración por aire forzado (ventilador), o puede simplificar la configuración de la refrigeración por convección eficaz si es factible. En el extremo superior, puede ser necesario para mantener componentes específicos que funcionen especialmente calientes por debajo de su temperatura máxima permitida y dentro de su zona de funcionamiento seguro.
2. Incluso si estos factores térmicos no son una preocupación, la eficiencia se traduce en un mayor tiempo de funcionamiento para los sistemas que funcionan con baterías o en una menor carga para el convertidor CA-CC.
3. En la actualidad, existen muchas normas reglamentarias que exigen niveles de eficiencia específicos para cada clase de producto final. Si bien estas normas no exigen la eficiencia de los carriles individuales de un producto, el reto del diseñador es garantizar que la eficiencia global agregada cumpla el mandato. Esto es más fácil cuando el regulador CC/CC de cada carril que contribuye es más eficiente, ya que eso proporciona un margen de maniobra en la suma con los otros carriles y otras fuentes de pérdida.

Silencio: Hay dos grandes clases de ruido que preocupan a los diseñadores. En primer lugar, el ruido y el rizado en la salida del regulador CC/CC debe ser lo suficientemente bajo como para que no afecte negativamente al rendimiento del sistema. Esta es una preocupación creciente a medida que los voltajes de los rieles caen a dígitos bajos en los circuitos digitales, así como en los circuitos analógicos de precisión, en los que una ondulación de incluso unos pocos milivoltios puede degradar el rendimiento.

La otra gran preocupación está relacionada con la EMI. Existen dos tipos de emisiones EMI: conducidas y radiadas. Las emisiones conducidas se desplazan por los cables y trazados que se conectan a un producto. Dado que el ruido se localiza en un terminal o conector específico del diseño, el cumplimiento de los requisitos de emisiones conducidas puede garantizarse a menudo en una fase relativamente temprana del proceso de desarrollo con un buen diseño de la disposición y del filtro.

Las emisiones radiadas, sin embargo, son más complicadas. Cada conductor de una placa de circuito impreso que transporta corriente irradia un campo electromagnético: cada trazo de la placa es una antena y cada plano de cobre es un espejo. Todo lo que no sea una onda sinusoidal pura o una tensión continua genera un amplio espectro de señales.

La dificultad radica en que, incluso con un diseño cuidadoso, el diseñador nunca sabe realmente la gravedad de las emisiones radiadas hasta que el sistema se somete a prueba, y las pruebas de emisiones radiadas no pueden realizarse formalmente hasta que el diseño está prácticamente terminado. Los filtros se utilizan para reducir la EMI atenuando los niveles en frecuencias específicas o en un rango de frecuencias utilizando diversas técnicas.

Una parte de la energía que se irradia a través del espacio se atenúa utilizando una chapa metálica como escudo magnético. La parte de baja frecuencia que se desplaza por las trazas de la placa de circuito impreso (conducida) se controla mediante perlas de ferrita y otros filtros. El apantallamiento funciona, pero conlleva una nueva serie de problemas. Debe estar bien diseñado con una buena integridad electromagnética (a menudo sorprendentemente difícil). Añade costos, aumenta la superficie, dificulta la gestión térmica y las pruebas, e introduce costos de montaje adicionales.

Otra técnica consiste en ralentizar los bordes de conmutación del regulador. Sin embargo, esto tiene el efecto no deseado de reducir la eficiencia, aumentar los tiempos mínimos de encendido y apagado, así como los tiempos muertos necesarios, y comprometer la velocidad del bucle de control de corriente.

Otro enfoque es ajustar el diseño del regulador para que irradie menos EMI mediante una cuidadosa selección de los parámetros clave de diseño. La tarea de equilibrar estas compensaciones de los reguladores implica evaluar la interacción de parámetros como la frecuencia de conmutación, la huella, la eficiencia y la EMI resultante.

Por ejemplo, una frecuencia de conmutación más baja suele reducir la pérdida de conmutación y la EMI y mejora la eficiencia, pero requiere componentes más grandes con el consiguiente aumento de la huella. La búsqueda de una mayor eficiencia va acompañada de bajos tiempos mínimos de encendido y apagado, lo que da lugar a un mayor contenido de armónicos debido a las transiciones de conmutación más rápidas. En general, con cada duplicación de la frecuencia de conmutación, la EMI empeora en 6 decibelios (dB), suponiendo que todos los demás parámetros, como la capacidad de conmutación y los tiempos de transición, permanezcan constantes. La EMI de banda ancha se comporta como un filtro de paso alto de primer orden con emisiones 20 dB más altas cuando la frecuencia de conmutación se multiplica por diez.

Para superar esto, los diseñadores de placas de PC experimentados harán que los bucles de corriente del regulador ("bucles calientes") sean pequeños y utilizarán capas de tierra de blindaje lo más cerca posible de la capa activa. Sin embargo, la disposición de los pines, la construcción de los paquetes, los requisitos de diseño térmico y los tamaños de los paquetes necesarios para el almacenamiento adecuado de energía en los componentes de desacoplamiento dictan un cierto tamaño mínimo de bucle caliente.

Para que el problema de la disposición sea aún más difícil, la típica placa de PC plana tiene un acoplamiento magnético o de tipo transformador entre las trazas por encima de los 30 megahercios (MHz). Este acoplamiento atenuará los esfuerzos de filtrado, ya que cuanto más altas sean las frecuencias armónicas, más eficaz será el acoplamiento magnético no deseado.

¿Qué normas son relevantes?

No existe una única norma rectora en el mundo de la EMI, ya que viene determinada en gran medida por la aplicación y los mandatos de gobierno pertinentes. Entre las más citadas están EN55022, CISPR 22 y CISPR 25. La norma EN 55022 es un derivado modificado de la norma CISPR 22 y se aplica a los equipos de tecnología de la información. La norma es elaborada por el CENELEC, el Comité Europeo de Normalización Electrotécnica, y es responsable de la normalización en el ámbito de la ingeniería electrotécnica.

Estas normas son complejas y definen los procedimientos de prueba, las sondas, la instrumentación, el análisis de datos, etc. Entre los numerosos límites definidos por la norma, el límite de emisiones radiadas de clase B suele ser el que más interesa a los diseñadores.

Completo: Incluso cuando la situación del diseño se entiende bastante bien, seleccionar y emplear los componentes de apoyo necesarios de la manera correcta es un reto. Las ligeras diferencias en la colocación y las especificaciones de los componentes, las conexiones a tierra de la placa de circuito impreso y otros factores pueden afectar negativamente al rendimiento.

El modelado y la simulación son necesarios y pueden ayudar, pero es muy difícil caracterizar las parásitas asociadas a estos componentes, especialmente si sus valores cambian. Además, un cambio de proveedores (o un cambio no anunciado por el proveedor preferido) puede inducir un cambio sutil en los valores de los parámetros de segundo o tercer nivel (como la resistencia de corriente continua del inductor (DCR)), que podría tener consecuencias significativas e imprevistas.

Además, incluso un ligero cambio de posición de los componentes pasivos o la adición de "solo uno más", puede cambiar el escenario de la EMI y dar lugar a emisiones que superen los límites permitidos.

Los µMódulos SilentSwitcher resuelven los problemas

Anticipar y gestionar el riesgo es una parte normal del trabajo de un diseñador. Reducir el número y la intensidad de estos riesgos es una estrategia estándar del producto final. Una solución es utilizar un regulador CC/CC funcionalmente completo que, mediante un buen diseño e implementación, sea fresco, silencioso y completo. El uso de un dispositivo conocido reduce la incertidumbre al mismo tiempo que aborda los riesgos de tamaño, coste, EMI, lista de materiales y montaje. Esto también acelera el tiempo de comercialización y reduce la angustia por el cumplimiento de la normativa.

Al examinar una familia completa de reguladores de este tipo, como los µMódulos Silent Switcher de Analog Devices, los diseñadores pueden elegir un regulador CC/CC adaptado a la tensión y corriente nominal necesarias, con la seguridad de que se cumplirán los requisitos de EMI, se conocerá el tamaño y el costo, y no habrá sorpresas.

Estos reguladores incorporan mucho más que esquemas y topologías innovadoras. Entre las técnicas que utilizan están:

• Técnica n.° 1: La conmutación del regulador actúa como un oscilador/fuente de RF y se combina con los cables de enlace, que actúan como antenas. Esto convierte al conjunto en un transmisor de RF con una energía no deseada que puede superar los límites permitidos (Figuras 3, 4 y 5).

Figura 3: Los cables de unión de la matriz del CI al paquete funcionan como antenas en miniatura e irradian energía de RF no deseada. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Figura 4: El montaje del Silent Switcher comienza sustituyendo las uniones de cables por la tecnología flipchip, eliminando así los cables que irradian energía. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Figura 5: El enfoque del flipchip elimina eficazmente las antenas y minimiza la energía radiada. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

• Técnica n.° 2: El uso de condensadores de entrada simétricos limita la EMI creando corrientes equilibradas y opuestas (Figura 6).

Figura 6: También se añaden condensadores de entrada dobles y en espejo para limitar la EMI. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

• Técnica nº 3. Por último, el uso de bucles de corriente opuestos para anular los campos magnéticos (figura 7).

Figura 7: Una disposición interna con bucles de corriente en direcciones opuestas también anula los campos magnéticos no deseados. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Estos µMódulos Silent Switcher representan la evolución del diseño y el embalaje de los reguladores reductores, desde un CI con componentes de apoyo hasta un CI LQFN con condensadores integrados, pasando por un µMódulo con los condensadores e inductores necesarios (Figura 8).

Figura 8: Al incorporar condensadores y un inductor en el envase, los µMódulos Silent Switcher son la tercera etapa en el avance de los reguladores de conmutación centrados en el CI. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

La amplia oferta aborda las necesidades y las compensaciones

Los µMódulos Silent Switcher están formados por muchas unidades individuales con diferentes valores de rango de tensión de entrada, carril de tensión de salida y corriente de salida. Por ejemplo, el LTM8003 es un micromódulo de 3.4 a 40 voltios de entrada, 3.3 voltios de salida, 3.5 A continuos (6 A de pico) que cumple con los límites de la norma CISPR 25 Clase 5, pero que solo mide 9 × 6.25 milímetros (mm) y 3.32 mm de altura (Figura 9).

Figura 9: El conmutador silencioso LTM8003 es un paquete diminuto y autónomo que cumple fácilmente con el límite de energía radiada máxima de clase 5 de la norma CISPR 25 desde CC hasta 1000 MHz. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Se ofrece con una distribución de pines que cumple con el análisis de los efectos del modo de fallo (FMEA) (LTM8003-3.3), lo que significa que la salida se mantiene en o por debajo de la tensión de regulación durante un cortocircuito de pines adyacentes o si se deja un pin flotando. La corriente de reposo típica es de sólo 25 microamperios (µA), y la versión de grado H está preparada para funcionar a 150 °C.

La placa de demostración (demo) del DC2416A está disponible para que los diseñadores puedan ejercitar el regulador y evaluar su rendimiento para su aplicación (Figura 10).

Figura 10: La placa de demostración DC2416A simplifica la conexión con el dispositivo LTM8003 Silent Switcher y su evaluación. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Dos miembros de la familia Silent Switcher µModule nominalmente similares, el LTM4657 (entrada de 3.1 a 20 voltios; salida de 0.5 a 5.5 voltios a 8 A) y el LTM4626 (entrada de 3.1 a 20 voltios; salida de 0.6 a 5.5 voltios a 12 A), muestran la naturaleza de las compensaciones que ofrecen los dispositivos. El LTM4657 utiliza un inductor de mayor valor que el LTM4626, lo que le permite operar a frecuencias más bajas para disminuir la pérdida de conmutación.

El LTM4657 es una mejor solución para altas pérdidas de conmutación y bajas pérdidas de conducción, como en aplicaciones donde la corriente de carga es baja y/o la tensión de entrada es alta. Si se observan el LTM4626 y el LTM4657 funcionando a la misma frecuencia de conmutación, y con la misma entrada de 12 voltios y salida de 5 voltios, se puede apreciar la pérdida de conmutación superior del LTM4657 (Figura 11). Además, su inductor de mayor valor reduce el rizado de la tensión de salida. Sin embargo, el LTM4626 puede suministrar más corriente de carga que el LTM4657.

Figura 11: La comparación de la eficiencia del LTM4626 y el LTM4657 a 1.25 MHz con la misma configuración en una placa de demostración DC2989A muestra diferencias modestas pero tangibles. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Los usuarios pueden evaluar el rendimiento del LTM4657 utilizando la placa de demostración DC2989A (Figura 12), mientras que para aquellos que necesiten evaluar el LTM4626, está disponible la placa DC2665A-A (Figura 13).

Figura 12: La placa de demostración DC2989A está diseñada para acelerar la evaluación del conmutador silencioso LTM4657. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Figura 13: Para el módulo del conmutador silencioso LTM4626, la placa de demostración DC2665A-A está disponible para facilitar el ejercicio y la evaluación. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Los µMódulos Silent Switcher no se limitan a los módulos de una sola salida. Por ejemplo, el LTM4628 es un completo regulador CC/CC de conmutación de doble salida de 8 A que puede configurarse fácilmente para proporcionar una única salida bifásica de 16 A (Figura 14). El módulo se ofrece en paquetes LGA de 15 mm × 15 mm × 4.32 mm y BGA de 15 mm × 15 mm × 4.92 mm. Incluye el controlador de conmutación, los FET de potencia, el inductor y todos los componentes de apoyo.

Figura 14: El LTM4628 puede configurarse como un regulador CC/CC de conmutación de doble salida, 8 A por canal, o en una configuración de salida única, 16 A. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El módulo funciona en un rango de tensión de entrada de 4.5 a 26.5 voltios y admite un rango de tensión de salida de 0.6 a 5.5 voltios, ajustado por una única resistencia externa. Los usuarios pueden investigar su rendimiento como dispositivo de una o dos salidas utilizando la placa de demostración DC1663A (Figura 15).

Figura 15: La evaluación del LTM4628 de salida simple/dual se acelera con el uso de su placa de demostración DC1663A. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Conclusión:

Diseñar un regulador CC/CC que funcione es bastante fácil con los CI disponibles. Sin embargo, diseñar un regulador que al mismo tiempo destaque por su eficiencia, sea funcionalmente completo y cumpla con los a menudo confusos y estrictos mandatos de los reguladores no lo es. Los µMódulos Silent Switcher de Analog Devices simplifican el proceso de diseño. Eliminan el riesgo al cumplir los objetivos de funcionamiento frío y eficiente, emisiones de EMI por debajo de los límites permitidos, y la integridad de la instalación.