Cómo suministrar potencia de alta densidad y bajo nivel de ruido en un factor de forma reducido para FPGA y ASIC

Los CI digitales con requisitos de alta corriente, como FPGA y ASIC, son cada vez más el centro de los sistemas integrados para aplicaciones como automoción, medicina, telecomunicaciones, industria, juegos y audio/video de consumo. Muchas de estas aplicaciones son de misión crítica, como los sistemas de asistencia al controlador de automóviles (ADAS), y de alta fiabilidad, como los centros de datos.

Además de los requisitos de corriente, estos dispositivos de voltaje más bajo tienen especificaciones de tolerancia estrictas para sus carriles de alimentación. Suministrar esta potencia con eficiencia, precisión, rapidez en los transitorios, estabilidad y bajo nivel de ruido es fundamental para el rendimiento y la integridad del sistema.

Los controladores reguladores de conmutación y los subsistemas de potencia convencionales presentan problemas potenciales de ruido, tanto en sus carriles de salida como en forma de interferencias electromagnéticas (EMI) e interferencias de radiofrecuencia (RFI) radiadas, una respuesta transitoria inadecuada y limitaciones de diseño. Para minimizar el ruido, algunas aplicaciones utilizan reguladores de caída baja (LDO) pequeños y silenciosos que ofrecen una eficiencia mejorada en comparación con los LDO anteriores. Sin embargo, incluso estos LDO no suelen cumplir los requisitos de eficiencia del sistema, lo que provoca problemas de disipación térmica.

La alternativa eficaz al LDO es el regulador de conmutación, pero estos dispositivos tienen un ruido inherentemente mayor debido a su función de reloj y conmutación. Es necesario mitigar este ruido para que los diseñadores aprovechen al máximo estos dispositivos de conmutación.

Afortunadamente, hay nuevas formas de equilibrar ruido y eficiencia. En este artículo se analizan las últimas innovaciones en el diseño de sistemas de conversión de potencia de alto rendimiento y mínimos requisitos de espacio, así como una gran reducción del ruido de los reguladores de conmutación. Explora cómo los innovadores reguladores de conmutación pueden cumplir los múltiples objetivos para cargas en el rango de voltajes de un solo dígito, por debajo de los 10 amperios (A), y presenta como ejemplo los diminutos CI de Silent Switcher de la familia LTC33xx de Analog Devices.

El imperativo corriente/voltaje

Cuando se inventaron y desarrollaron los transistores y los CI en la segunda mitad del siglo XX, una de sus muchas virtudes era que sus requisitos de potencia por función eran muy bajos en comparación con los de los tubos de vacío a los que sustituían, con facilidad por un factor de 100 o más. Sin embargo, este avance pronto condujo a mayores densidades de funciones por dispositivo y placa de circuito, hasta el punto de que los CI requieren ahora decenas de amperios por carril, y a menudo en múltiples carriles.

Entre los CI que requieren estas altas corrientes, que en última instancia deben disipar las elevadas cantidades de potencia asociada en forma de calor, se encuentran las matrices de puertas programables en campo (FPGA) y los productos estándares específicos para los clientes (ASIC). Ambos se utilizan mucho en dispositivos integrados de toda la industria electrónica, incluidos los de automoción, médicos, industriales, de comunicaciones, de juego y de consumo de audio/video.

La corriente que necesitan la FPGA o el ASIC puede obtenerse mediante un convertidor CA/CC para los dispositivos alimentados por línea o un convertidor CC/CC para los alimentados por batería. En cualquiera de los dos casos, se necesita un regulador reductor CC/CC (buck) posterior para proporcionar y gestionar la tensión de carril de un solo dígito para la carga a los niveles de corriente necesarios.

Una forma de suministrar la potencia necesaria es utilizar un único regulador CC/CC para todos los dispositivos de la placa de circuito y situarlo en un lateral o en una esquina de la placa de PC para ayudar a gestionar los problemas de disipación del calor y simplificar la arquitectura del sistema CC/CC.

Sin embargo, esta solución aparentemente sencilla tiene sus problemas:

• En primer lugar, está la inevitable caída de IR entre el regulador y las cargas debido a la distancia y a los altos niveles de corriente (caída de ΔV = corriente de carga I × resistencia de la traza (R)). Las soluciones son aumentar la anchura o el grosor de la traza de la placa de PC o utilizar una barra colectora de pie, pero estas soluciones utilizan un valioso espacio de la placa y aumentan la lista de materiales (BOM).
• Una técnica para superar la caída de IR es utilizar la teledetección de la tensión en la carga, pero esto sólo funciona bien para una carga no dispersa de un solo punto. También plantea nuevos problemas de posible oscilación, ya que la inductancia del carril de alimentación más largo y los terminales de detección pueden afectar al rendimiento transitorio del regulador y de los carriles.
• Por último, y el problema que suele ser más difícil de resolver, los carriles de alimentación más largos también están sujetos a una mayor captación de ruido EMI/RFI o son eficaces en la radiación de ruido a lo largo de su longitud, de tal manera que actúan como antenas. La solución suele requerir condensadores de derivación adicionales, perlas de ferrita en línea y otras medidas. Dependiendo de su magnitud y frecuencia, este ruido puede afectar negativamente al funcionamiento fiable de las cargas y dificultar el cumplimiento de los diversos mandatos normativos sobre emisiones sonoras.

El dilema del ruido frente a la eficiencia

Es importante tener en cuenta que el dilema "ruido frente a eficiencia" de los reguladores CC/CC es un escenario diferente al de las compensaciones habituales del diseño de ingeniería. A menudo se trata de evaluar las compensaciones y encontrar el "punto óptimo" que equilibre los atributos favorables frente a los desfavorables.

¿En qué se diferencia esta situación? La mayoría de los escenarios de compensación permiten al diseñador aceptar deliberadamente menos de algún valor de parámetro deseado a cambio de más de otro, moviéndose a lo largo de un continuo de compensaciones (Figura 1, parte superior).

Figura 1: La mayoría de las situaciones de diseño permiten al ingeniero evaluar y luego hacer varias compensaciones de rendimiento a lo largo de un camino bastante continuo (superior), pero para el ruido/eficiencia de los reguladores de conmutación frente a los LDO, los diseños terminan en un lado o en el otro, con poco "término medio" (inferior). (Fuente de la imagen: Bill Schweber)

Por ejemplo, el diseñador puede elegir un amplificador operacional (op-amp) que consuma más corriente (malo) con el fin de proporcionar una mayor velocidad de respuesta (bueno) en comparación con otro op-amp; un compromiso es aceptable o necesario en la aplicación.

Sin embargo, con los reguladores de conmutación y los LDO, sus atributos de ruido y eficiencia están en gran medida "integrados" en su estructura. Un diseñador no puede decir, por ejemplo, que aceptará un LDO con un 20% más de ruido a cambio de que ofrezca una mejora del 10% en eficiencia; ese tipo de compromiso no existe. En cambio, hay un vacío en el tramo atributo-descenso (Figura 1, parte inferior).

Los reguladores de Silent Switcher resuelven el dilema de la compensación

Una solución alternativa y normalmente mejor es utilizar reguladores CC/CC individuales situados lo más cerca posible de sus CI de carga. Esto minimiza la caída de IR, la huella de la placa de PC y la captación y radiación de ruido del carril. Sin embargo, para que este enfoque sea viable, es esencial contar con reguladores pequeños, eficientes y silenciosos que puedan colocarse junto a la carga y seguir cumpliendo todos sus requisitos actuales.

Aquí es donde los numerosos reguladores Silent Switcher resuelven los problemas. Estos reguladores no sólo proporcionan salidas de tensión de un solo dígito a niveles de corriente desde unos pocos amperios hasta 10 A, sino que lo hacen con un ruido extremadamente bajo, lo que se consigue empleando múltiples innovaciones de diseño.

Estos reguladores cambian el pensamiento convencional de la diferencia entre LDO y regulador de conmutación con los dispositivos Silent Switcher 1 (primera generación) y Silent Switcher 2 (segunda generación). Los diseñadores de estos dispositivos identificaron las distintas fuentes de ruido e idearon formas de atenuar cada una de ellas.

Tenga en cuenta que los reguladores Silent Switcher no utilizan la conocida y legítima técnica del "espectro ensanchando" de añadir ruido pseudoaleatorio a la señal de reloj. De este modo se amplía el espectro de ruido y se reduce su amplitud en la frecuencia de reloj y sus armónicos. Aunque el uso de la sincronización de espectro ensanchando puede ayudar a cumplir los límites reglamentarios, no reduce la energía de ruido agregada y puede, de hecho, poner algo de ruido en partes del espectro que afecten al rendimiento del circuito.

Las ventajas de los dispositivos Silent Switcher 1 incluyen una baja EMI (interferencia electromagnética), una alta eficiencia y una elevada frecuencia de conmutación que aleja gran parte del ruido restante de las partes del espectro en las que interferiría con el funcionamiento del sistema o plantearía problemas de regulación. Las ventajas de Silent Switcher 2 incluyen todas las características de la tecnología Silent Switcher 1 más condensadores de precisión integrados, un menor tamaño de la solución y la eliminación de la sensibilidad al diseño de la placa de PC.

Gracias a su diminuto factor de forma (apenas unos milímetros cuadrados) y a su eficiencia, estos conmutadores pueden situarse muy cerca de la FPGA o ASIC de carga, maximizando así el rendimiento y eliminando las incertidumbres entre las especificaciones de rendimiento de la hoja de datos y la realidad en uso. Cambian el dilema "binario" de tener que elegir entre aceptar más ruido o menos eficiencia, permitiendo a los diseñadores tener lo mejor de ambos atributos cuando se trata de ruido y eficiencia.

¿Cómo se han materializado estas ventajas de Silent Switcher? Para ello se adoptó un enfoque polifacético:

• La principal causa de ruido en una fuente de alimentación de modo conmutado son las corrientes conmutadas, no las estacionarias. En la topología de un regulador de conmutación convencional, existe una ruta de flujo de corriente denominada bucle caliente. Este bucle caliente no es un bucle de corriente independiente, sino solo un bucle de corriente virtual compuesto por los componentes de dos bucles de corriente reales (Figura 2).

Figura 2: La topología habitual del regulador de conmutación tiene un bucle de corriente virtual denominado bucle caliente; está compuesto por los componentes de dos bucles de corriente reales y tiene flujos de corriente conmutados. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

La tecnología Silent Switcher 2 de Analog Devices reduce al mínimo los bucles calientes críticos mediante la integración de condensadores de entrada en el encapsulado del CI. Además, al dividir el bucle caliente en dos formas simétricas, se crean dos campos magnéticos de polaridades opuestas y el ruido radiado se anula en gran medida.

• La arquitectura de segunda generación admite bordes de conmutación rápidos para lograr una alta eficiencia a altas frecuencias de conmutación y, al mismo tiempo, un buen rendimiento EMI (interferencia electromagnética). Los condensadores de cerámica internos en el voltaje de entrada de CA (V_IN) mantienen pequeños todos los bucles rápidos de corriente alterna, mejorando el rendimiento EMI.
• La arquitectura Silent Switcher utiliza técnicas de diseño y embalaje patentadas para maximizar la eficiencia a frecuencias muy altas y permitir un rendimiento EMI ultrabajo, superando fácilmente los límites EMI de pico CISPR 25 Clase 5 mediante el uso de diseños altamente compactos y resistentes.
• Se utiliza el Posicionamiento Activo de Tensión (PAV), una técnica en la que la tensión de salida depende de la corriente de carga. Con cargas ligeras, la tensión de salida se regula por encima del valor nominal, mientras que a plena carga, la tensión de salida se regula por debajo del valor nominal. La regulación de la carga de CC se ajusta para mejorar el rendimiento transitorio y reducir los requisitos del condensador de salida.

Las múltiples familias de Silent Switcher

Los reguladores Silent Switcher están disponibles en muchas familias y modelos, con diferentes valores de tensión/corriente dentro de cada familia. Algunas consideraciones adicionales varían de un modelo a otro, como la potencia fija frente a la regulable. Entre los distintos miembros de la familia LTC33xx se encuentran el:

• LTC3307: Silent Switcher reductor síncrono de 5 voltios y 3 A en un encapsulado LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3308A: Silent Switcher reductor síncrono de 5 voltios y 4 A en un encapsulado LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3309A: Silent Switcher reductor síncrono de 5 voltios y 6 A en un encapsulado LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3310: Silent Switcher 2 reductor síncrono de 5 voltios y 10 A en encapsulado LQFN de 3 mm × 3 mm

Analizando el LTC3310 con más detalle, se trata de un convertidor CC/CC reductor monolítico, muy pequeño y de bajo ruido, capaz de proporcionar hasta 10 A de corriente de salida a partir de una alimentación de entrada de 2.25 a 5.5 voltios; el intervalo _VOUT es de 0.5 voltios a _VIN. Las frecuencias de conmutación van desde los 500 kHz hasta los 5 MHz. Sólo requiere unos pocos componentes pasivos externos y tiene una eficiencia de alrededor del 90% en la mayor parte de su rango de carga de salida (Figura 3).

Figura 3: El regulador CC/CC reductor LTC3310 requiere componentes activos externos y ofrece un alto rendimiento en la mayor parte de su rango de carga. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Está disponible en cuatro versiones básicas. Los dispositivos ofrecen una baja EMI (interferencia electromagnética) y una alta eficiencia a frecuencias de conmutación de hasta 5 MHz, y hay versiones de la familia LTC3310 que cuentan con la certificación AEC-Q100 para automoción. Tenga en cuenta que tanto los dispositivos de primera generación (SS1) -LTC3310- como los de segunda generación (SS2) -LTC3310S y LTC3310S-1- están disponibles como dispositivos de salida ajustable y de salida fija (Tabla 1):

Tabla 1: El LTC3310 se ofrece en cuatro versiones básicas, que representan diseños de primera y segunda generación, así como salidas fijas y ajustables. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Para las versiones ajustables, la tensión de salida se programa mediante un divisor de resistencias entre la salida y la patilla de realimentación (FB) utilizando una sencilla ecuación para determinar el valor correcto de la resistencia (Figura 5).

Figura 5: El establecimiento del voltaje de salida de los dispositivos LTC3310 ajustables solo requiere una red divisora de resistencias básica basada en una sencilla ecuación. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Los niveles de ruido suelen ser de decenas de microvoltios. Dos métricas clave del rendimiento de bajo ruido de los dispositivos LTC3310 son las pruebas de ruido realizadas de acuerdo con los límites de pico CISPR25 Clase 5 pertinentes. Se trata del ruido conducido (figura 6) y del ruido radiado en los planos horizontal y vertical (figura 7).

Figura 6: Un regulador correctamente dispuesto basado en el LTC3310S cumple los estrictos límites de emisiones EMI (interferencia electromagnética) conducidas CISPR25 (con pico de clase 5). (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Figura 7: Para las pruebas de emisiones radiadas, el LTC3310S cumple los requisitos de EMI (interferencia electromagnética) tanto en el plano horizontal (izquierda) como en el plano vertical (derecha) según CISPR25. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Otra característica notable de la familia LTC3310 es la facilidad con la que los dispositivos se pueden utilizar en paralelo para un funcionamiento multifásico de corriente más alta, una característica que muchos otros reguladores de conmutación no admiten o solo admiten con dificultad. El funcionamiento en paralelo más sencillo es el bifásico, con corrientes de hasta 20 A (figura 8). El planteamiento puede ampliarse fácilmente a tres, cuatro o más fases, y a corrientes correspondientemente mayores.

Figura 8: Con unos pocos componentes adicionales, se pueden combinar dos o más dispositivos LTC3310 para un funcionamiento multifásico de corriente más alta; se muestra la configuración bifásica/20 A. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Las placas de evaluación acortan los ciclos de diseño

Los reguladores como los dispositivos LTC3310 son directos en su aplicación, ya que no tienen registros de inicialización, funciones controladas por software ni otras complejidades de configuración. No obstante, desde el punto de vista técnico, es conveniente poder evaluar su rendimiento estático y dinámico y optimizar los valores de los componentes pasivos antes de comprometerse con un diseño definitivo o con las especificaciones de la lista de materiales. La disponibilidad de placas de evaluación del LTC3310 facilita enormemente este proceso. Analog Devices ofrece una selección de estas placas adaptadas a diferentes versiones y configuraciones del LTC3310:

• El DC3042A admite el dispositivo LTC3310 de salida ajustable (Figura 9).

Figura 9: La placa de evaluación DC3042A está diseñada para el LTC3310 con un voltaje de salida ajustable por el usuario. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Además de instruir a los usuarios sobre la configuración y el funcionamiento básicos, la documentación incluye un diagrama esquemático, la disposición de la placa y la lista de materiales (BOM). También indica los distintos puntos y conexiones de prueba, así como la disposición de las sondas para medir la ondulación de salida y la respuesta al escalón (Figura 10).

Figura 10: El manual de demostración del usuario del DC3042A indica claramente los puntos de prueba y las conexiones (arriba), así como la configuración de las sondas para medir la ondulación de salida y la respuesta al escalón. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

• Para el LTC3310S-1 con un voltaje de salida fijo, existe la placa de evaluación DC3021A (Figura 11).

Figura 11: Para el LTC3310S-1 con un voltaje de salida que no es ajustable por el usuario, la placa de evaluación DC3021A es la elección adecuada. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

• Por último, para la disposición en paralelo multifásica, algo más compleja, está el DC2874A-C (Figura 12). Esta placa de evaluación tiene el LTC3310S funcionando como un regulador buck multifase de 2.0 MHz y 3.3 a 1.2 voltios. El DC2874A tiene tres opciones de construcción para proporcionar soluciones de salida bifásicas/20 A, trifásicas/30 A o tetrafásicas/40 A.

Figura 12: La placa de evaluación DC2874A-C para el LTC3310S tiene tres opciones de construcción: salidas bifásicas/20 A, trifásicas/30 A o tetrafásicas/40 A. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Utilizando el LTC3310S e invirtiendo algún tiempo con la placa de evaluación adecuada y su correspondiente manual de usuario, los diseñadores pueden minimizar el tiempo dedicado al rendimiento del regulador CC/CC.

Conclusión:

Tradicionalmente, los ingenieros han tenido que elegir entre dos topologías de reguladores CC/CC con atributos claramente opuestos. Los LDO ofrecen una salida de CC de muy bajo ruido, pero con una eficiencia de baja a moderada, lo que los convierte en un reto térmico más allá de las salidas de aproximadamente 1 A. Por el contrario, los reguladores de conmutación ofrecen eficiencias del orden del 90%, pero añaden ruido al raíl de salida de CC y también son una fuente de ruido conducido -y sobre todo radiado- que puede hacer que el producto no supere las pruebas reglamentarias obligatorias.

Afortunadamente, las familias de Silent Switcher de Analog Devices emplean una serie de técnicas de diseño innovadoras que superan este dilema de "elegir uno u otro", dando lugar a opciones de reguladores muy eficientes, de muy bajo ruido y de factor de forma diminuto.