Cómo utilizar pequeños convertidores CC/CC modulares para minimizar el ruido del riel de alimentación

El ruido es una consideración inherente y generalmente inevitable en casi todos los diseños de sistemas. Aunque parte del ruido procede de fuentes externas y no está directamente bajo el control del diseñador del circuito, también lo genera el propio circuito. En muchos casos, es fundamental que el diseñador minimice las fuentes de ruido -especialmente el ruido en los carriles de alimentación-, ya que puede afectar a los circuitos analógicos y digitales sensibles.

El resultado puede ser un rendimiento errático del circuito, una reducción de la resolución y la precisión, y una mayor tasa de error de bits (BER), en el mejor de los casos. En el peor de los casos, puede causar un mal funcionamiento total del sistema o problemas de rendimiento frecuentes o intermitentes, ambos difíciles de depurar.

Los reguladores CC/CC de conmutación y sus carriles de salida presentan dos problemas principales de ruido: el rizado y el ruido radiado. El ruido generado en un circuito está sujeto a los mandatos normativos de compatibilidad electromagnética (CEM) y debe estar por debajo de los niveles especificados en las distintas bandas de frecuencia.

El reto para los diseñadores es comprender el ruido de origen interno y su origen, y "diseñarlo" o mitigarlo de alguna manera. Este artículo utilizará los reguladores CC/CC de Monolithic Power Systems, Inc. para discutir las opciones a la hora de minimizar los problemas de ruido del regulador.

Comenzar con la fuente de ruido y el tipo

El ruido más fácil de observar, y el que repercute directamente en el rendimiento del circuito, es la ondulación en la frecuencia de conmutación. Esta ondulación suele ser del orden de 10 a 20 milivoltios (mV) (Figura 1). Aunque no es de naturaleza aleatoria, sigue siendo una manifestación de ruido que afecta el rendimiento del sistema. El nivel de milivoltios de esta ondulación no suele ser un problema para los circuitos integrados digitales de alto voltaje que funcionan con rieles de 5 voltios o más, pero puede ser un problema para los circuitos digitales de bajo voltaje que funcionan a menos de 3 voltios. La ondulación en los rieles de alimentación también es un problema importante en los circuitos y componentes analógicos de precisión, por lo que la especificación de la relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) para estos dispositivos es fundamental.

Figura 1: La ondulación en el riel de CC, resultado de la acción de conmutación del regulador, puede afectar al rendimiento básico de un circuito o a los resultados de precisión. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems, Inc.)

La acción de conmutación de un regulador CC/CC también puede irradiar ruido de radiofrecuencia (RF). Incluso si los milivoltios de ondulación en el riel de CC son tolerables, también existe el problema de las emisiones electromagnéticas que comprometen la compatibilidad electromagnética. Este ruido tiene una frecuencia fundamental conocida que oscila entre unos pocos kilohercios y varios megahercios (MHz), dependiendo del convertidor de conmutación, y también tiene muchos armónicos.

Entre las normas reglamentarias relacionadas con la CEM más citadas se encuentran la CISPR 22 y la CISPR 32, "Information Technology Equipment-Radio Disturbance Characteristics-Limits and Methods of Measurement" (CISPR significa "Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques"). También existe la norma europea EN 55022, derivada principalmente de la norma de productos CISPR 22, con pruebas realizadas en condiciones cuidadosamente definidas.

La norma CISPR 22 ha sido adoptada por la mayoría de los miembros de la Comunidad Europea. Aunque la parte 15 de la FCC en Estados Unidos y la CISPR 22 se han hecho relativamente armoniosas, existen algunas diferencias. La norma CISPR 22/EN 55022 ha sido "absorbida" por la norma CISPR 32/EN 55032, una nueva familia de productos para equipos multimedia (MME) que entra en vigor como norma armonizada en cumplimiento de la Directiva CEM.

Los equipos destinados principalmente a ser utilizados en un entorno residencial deben cumplir los límites de la clase B, y todos los demás equipos deben cumplir la clase A (figura 2). Los productos diseñados para los mercados norteamericanos deben cumplir con los límites establecidos por la Sección 15.109 de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) Parte 15, Subparte B, para los radiadores no intencionales. Así, aunque el ruido eléctrico irradiado por un regulador de CC no afecte negativamente al producto en sí, ese ruido puede seguir siendo inaceptablemente alto con respecto al cumplimiento de los diversos mandatos normativos.

Figura 2: Este es uno de los muchos gráficos proporcionados por la norma CISPR 32/EN 55032 que define los límites de emisión en función de la frecuencia para varias clases de productos de consumo. (Fuente de la imagen: Academy of EMC, "EMC Standards")

Tratar los problemas de EMC es un tema complicado y no tiene una solución simplista. Entre otras cosas, la medición y los límites admisibles de estas emisiones están en función de la frecuencia de funcionamiento del circuito, la distancia, el nivel de potencia y la clase de aplicación. Por estas razones, tiene sentido consultar los numerosos recursos técnicos y quizás incluso los consultores que pueden proporcionar orientación y experiencia.

Dicho esto, los diseñadores disponen de tres estrategias básicas para minimizar el ruido con el fin de evitar problemas de rendimiento de los circuitos y también cumplir con el mandato de ruido adecuado:

• Utiliza un regulador de baja caída (LDO).
• Añade un filtrado externo a un regulador de conmutación para reducir el ruido percibido por la carga en los rieles de CC.
• Elija un módulo regulador de conmutación que incorpore componentes que de otro modo serían externos al CI regulador, como inductores o condensadores. El módulo resultante está diseñado y garantizado para proporcionar rieles de bajo ruido, por lo que necesita un filtrado externo mínimo o nulo.

Comenzar con el LDO

Como la arquitectura LDO no tiene reloj ni conmutación, presenta un bajo ruido EMC intrínseco y no hay ondulación de los rieles de salida; cada año se utilizan cientos de millones de LDO. Cuando se aplica a un diseño adecuado, puede ser una solución eficaz.

Por ejemplo, el LDO MP20075 de Monolithic Power Systems se dirige específicamente a terminaciones de bus activas para memorias dinámicas de acceso aleatorio sincrónicas (SDRAM) de doble velocidad de datos (DDR) 2/3/3L/4 (Figura 3). Este LDO tiene una carcasa MSOP de 8 pines y puede absorber y generar hasta 3 amperios (A) a una tensión ajustable por el usuario entre 1.05 y 3.6 voltios, y cuenta con una tensión de seguimiento V_REF/2 de precisión para una terminación exacta.

Figura 3: El LDO MP20075 puede absorber o generar hasta 3 A y está optimizado para las necesidades de terminación de varias clases de SRAM DDR. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

El divisor integrado del MP20075 realiza un seguimiento de la tensión de referencia (REF) para garantizar la precisión de las tensiones de salida VTT y VTTREF, mientras que la detección Kelvin le ayuda a alcanzar una precisión de ±30 mV para VTT y ±18 mV para VTTREF. Además, como ocurre con la mayoría de los LDO, la topología analógica de bucle cerrado ofrece una respuesta muy rápida a los transitorios de carga de salida, del orden de unos pocos microsegundos (Figura 4). Esta respuesta transitoria es a menudo crítica en los circuitos de alta velocidad, como las terminaciones DDR SRAM para las que se ha diseñado este LDO.

Figura 4: El diseño analógico en bucle cerrado del LDO contribuye a su rápida respuesta a las demandas transitorias de la carga; este rendimiento es necesario para aplicaciones como la terminación de SRAM DDR. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

A pesar de sus atributos de bajo ruido y facilidad de uso, el LDO tiene limitaciones. En primer lugar, es mucho menos eficiente que un regulador de conmutación, lo que a su vez conlleva dos preocupaciones obvias: el calor que disipa se suma a la carga térmica del sistema, y la reducción de la eficiencia tiene un impacto en el tiempo de funcionamiento de los dispositivos portátiles que funcionan con baterías. Por estas razones, los LDO se utilizan más comúnmente para corrientes de salida de hasta aproximadamente 1 a 3 A (como muestra el MP20075), ya que la "penalización" de la eficiencia suele ser excesiva por encima de ese valor.

Hay otra limitación inherente a los LDO: solo pueden proporcionar regulación reductora (buck) y no pueden aumentar una alimentación de CC de entrada no regulada por encima de su valor nominal. Si se necesita una salida en modo boost (elevador), el LDO se descarta automáticamente como opción de regulador CC/CC.

Ajustar el diseño, añadir algún filtro

Cuando se utiliza un regulador de conmutación, ya sea para el funcionamiento en modo boost (elevador ) o buck (reductor), su acción de conmutación es una fuente inherente e inevitable de ruido. Añadir un filtro de salida adicional es más fácil cuando el regulador funciona a una frecuencia fija. Considere el MP2145, un regulador de conmutación reductor síncrono de 5.5 voltios y 6 A alojado en un encapsulado QFN de 12 terminales y 2 × 3 milímetros (mm), con MOSFETs integrales de 20 miliohmios (mΩ) y 12 mΩ (Figura 5).

Figura 5: El MP2145, un regulador de conmutación reductor síncrono de 5.5 voltios y 6 A, incluye MOSFETs integrales de 20 mΩ y 12 mΩ en su encapsulado QFN de 2 × 3 mm. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

Un convertidor reductor síncrono como el MP2145 consta de un condensador de entrada C_IN, dos interruptores (S1 y S2) con sus diodos de cuerpo, un inductor de potencia de almacenamiento de energía (L) y condensadores de salida (C_OUT). Los condensadores de salida (C_OUT) se colocan en la salida para suavizar la tensión de salida en estado estacionario. Forman un filtro de primera etapa y reducen la ondulación de la tensión de salida proporcionando una vía de baja impedancia para que los componentes de tensión de alta frecuencia vuelvan a tierra.Normalmente, este condensador de salida en derivación puede reducir eficazmente la ondulación de la tensión de salida a 1 mV.

Para reducir aún más el rizado de la tensión de salida, es necesario un filtro de salida de segunda etapa, con un filtro inductor-capacitor (LC) en cascada con los condensadores de salida de la primera etapa (Figura 6). El inductor de filtrado (L_f) es resistivo en el rango de alta frecuencia previsto y disipa la energía del ruido en forma de calor. El inductor se combina con condensadores de derivación adicionales para formar una red de filtro LC de paso bajo.

Figura 6: La adición de un filtro LC de segunda etapa a la salida de un regulador de conmutación como el MP2145 puede reducir la ondulación de salida. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

Las hojas de datos de los proveedores y las notas de aplicación proporcionan ecuaciones y directrices para el dimensionamiento de los componentes del inductor, el condensador y la resistencia de amortiguación de este filtro. También identifican los parámetros secundarios críticos, como la resistencia CC máxima del inductor (DCR) y la corriente de saturación, y la resistencia serie equivalente máxima del condensador (ESR). Los valores típicos de inductancia oscilan entre 0.22 microhenrios (µH) y 1 µH.

La disposición de estos componentes también es fundamental para conseguir el mayor rendimiento posible. Un diseño mal concebido puede dar lugar a una mala regulación de la línea o de la carga, a un aumento de la ondulación y a otros problemas de estabilidad. El condensador de entrada (Cin) para el MP2145 debe colocarse lo más cerca posible de los pines del CI (Figura 7).

Figura 7: El condensador de entrada del MP2145 (Cin aquí, abajo a la derecha; y C1 en el esquema de la Figura 5) debe estar lo más cerca posible del pin 8 (el pin de entrada de alimentación) y de los pines 10/11/12 (los pines de GND de alimentación). (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

Los módulos ofrecen garantía de rendimiento

Los módulos llevan la implementación de los reguladores CC/CC al siguiente nivel de integración del sistema. De este modo, minimizan o eliminan las preocupaciones relacionadas con la selección y colocación de los componentes externos y proporcionan especificaciones garantizadas. Los módulos incorporan componentes adicionales, principalmente el tradicional y algo molesto inductor externo. De este modo, se reducen los problemas asociados al tamaño, la colocación y la orientación de los componentes pasivos, que influyen en la compatibilidad electromagnética y el rendimiento relacionado con las ondas.

Por ejemplo, el MPM3833C es un módulo reductor con MOSFET de potencia incorporados y un inductor, que proporciona hasta 3 A de corriente de salida continua a partir de una tensión de entrada de entre 2.75 y 6 voltios, junto con una excelente regulación de carga y línea (Figura 8). Solo se necesitan resistencias de retroalimentación, condensadores de entrada y condensadores de salida para completar el diseño. El inductor, que suele ser el componente externo más difícil de especificar y colocar, es interno al módulo y, por lo tanto, se convierte en un problema con respecto a la ubicación adecuada para minimizar las interferencias electromagnéticas (EMI) y la ondulación.

Figura 8: El módulo CC/CC MPM3833C incluye el inductor potencialmente problemático en sus especificaciones de diseño y rendimiento. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

Este módulo está alojado en un encapsulado QFN-18 ultrapequeño (2.5 mm × 3.5 mm × 1.6 × mm) y tiene una tensión de ondulación de 5 mV (típica). Su bajo nivel de emisiones radiadas (EMI) cumple la norma EN55022 Clase B, mostrada en la figura 9 para condiciones de V_IN = 5 voltios, V_OUT = 1,2 voltios, I_OUT = 3 A, CO = 22 picofaradios (pF), a 25 °C.

Figura 9: La hoja de datos del módulo CC/CC MPM3833C muestra que cumple sin problemas la norma EN55022 Clase B de emisiones radiadas. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

Con las modernas técnicas de microempaquetado, el tamaño total de un módulo es solo ligeramente superior al de la matriz interna; un perfil bajo es un parámetro cada vez más importante. Consideremos el MPM3650, un módulo de potencia reductora rectificada, síncrona, de 1.2 MHz, totalmente integrado, con un inductor interno (Figura 10). Proporciona hasta 6 A de corriente de salida continua para salidas de 0.6 a 1.8 voltios y hasta 5 A para salidas superiores a 1.8 voltios, en un amplio rango de entrada de 2.75 a 17 voltios, con una excelente regulación de carga y de línea. Con sus MOSFETS internos y su inductor incrustado, el encapsulado QFN-24 mide solo 4 mm × 6 mm × 1.6 mm.

Figura 10: El módulo MPM3650 con inductor integrado suministra hasta 6 A a un máximo de 1.8 voltios y 5 A por encima de 1.8 voltios, en un encapsulado de 4 mm × 6 mm × 1.6 mm. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

Otra ventaja del enfoque modular es que el ruido de ondulación está bien controlado a unos 20 mV sin carga, bajando a unos 5 mV con una carga completa de 6 A (Figura 11). Esto significa que, en muchos casos, no es necesario un filtrado externo adicional, lo que simplifica el diseño, reduce el espacio ocupado y recorta la lista de materiales (BOM).

Figura 11: El ruido de rizado del módulo MPM3650 está especificado en unos 20 mV a carga cero y en unos 5 mV a plena carga. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

A menudo es útil realizar un trabajo práctico con los módulos reguladores CC/CC para evaluar si su rendimiento estático y dinámico cumple con los requisitos del sistema, incluso más allá de lo que se indica en la hoja de datos. Para acelerar este proceso, Monolithic Power Systems ofrece la EVM3650-QW-00A, una placa de evaluación de cuatro capas de 63.5 mm × 63.5 mm × 1.6 mm para el MPM3650 (Figura 12).

Figura 12: Utilizando la placa de evaluación EVM3650-QW-00A, los usuarios potenciales del módulo CC/CC MPM3650 pueden evaluar rápidamente su rendimiento en su aplicación. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

La placa de evaluación, junto con su hoja de datos, tiene múltiples propósitos. En primer lugar, permite al usuario evaluar fácilmente los numerosos atributos de rendimiento del MPS3650 en una amplia gama de condiciones de funcionamiento, algunas de las cuales pueden no ser obvias o no estar indicadas en la hoja de datos. En segundo lugar, la hoja de datos de la tarjeta de evaluación contiene el esquema completo, la lista de materiales y los detalles del diseño de la tarjeta, de modo que los usuarios del MPS3650 pueden utilizarlos en su propio diseño para reducir el riesgo y minimizar la incertidumbre (Figura 13).

Figura 13: El paquete de la placa de evaluación EVM3650-QW-00A incluye un esquema completo, la lista de materiales y los detalles del diseño de la placa para reducir el riesgo y la incertidumbre. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

La placa de evaluación ofrece a los diseñadores la oportunidad de comprender mejor el rendimiento del módulo, lo que se traduce en un alto nivel de confianza en el diseño junto con un tiempo mínimo de comercialización.

Hay un tipo más de ruido

Cuando los diseñadores hablan de "ruido", casi siempre se refieren a alguna manifestación de ruido electrónico en el circuito, como ondulaciones o EMI. Sin embargo, con los reguladores de conmutación, hay otro tipo de ruido potencial: el ruido acústico. Para los reguladores que operan por encima del rango de audición humana -generalmente considerado como 20 kHz- este ruido no será un problema. Sin embargo, algunos reguladores de conmutación funcionan en la gama de audio, mientras que otros que funcionan a frecuencias mucho más altas bajan a la gama de audio durante los periodos de inactividad o de espera para minimizar el consumo de energía.

Este ruido audible se debe a uno o a los dos fenómenos físicos conocidos: el efecto piezoeléctrico y el efecto magnetostrictivo. En el caso del efecto piezoeléctrico, las oscilaciones eléctricas impulsadas por el reloj del circuito hacen que componentes como los condensadores cerámicos vibren en sincronización con el reloj de conmutación, ya que la energía eléctrica es transformada en movimiento mecánico por los materiales cristalinos del condensador. En el caso del efecto magnetostrictivo, que es algo paralelo al efecto piezoeléctrico, los materiales magnéticos, como los núcleos de inductores o transformadores, cambian su forma y dimensiones durante los ciclos de magnetización impulsados por el reloj. El condensador o inductor/transformador afectado actúa entonces como un "conductor" mecánico y hace que toda la placa de circuitos resuene, amplificando y emitiendo así las vibraciones audibles.

Debido a uno de estos efectos o a ambos, las personas con buena audición suelen quejarse de que oyen un zumbido constante y de bajo volumen cuando están cerca de aparatos electrónicos. Tenga en cuenta que este ruido acústico también lo generan a veces los componentes de los circuitos de alimentación de baja frecuencia de 50/60 Hz, por lo que incluso aquellos que no tienen un buen oído de alta frecuencia pueden oír un zumbido.

El tratamiento del ruido acústico requiere enfoques y técnicas diferentes a los utilizados para la atenuación del ruido electrónico.

Conclusión:

Los LDO ofrecen una solución sin o con poco ruido para el problema del rizado del raíl de CC y la EMI, pero generalmente no son una opción viable de regulador por encima de unos pocos amperios. Una alternativa son los reguladores de conmutación con un filtrado adecuado o los diseñados específicamente para un rendimiento de bajo ruido.

Los módulos completos de reguladores CC/CC, que incorporan componentes como el inductor en su diminuto paquete, ofrecen otra serie de soluciones. Reducen las incertidumbres del diseño en lo que respecta a la disposición y la selección de componentes, a la vez que proporcionan un rendimiento del subsistema totalmente probado y cuantificado.

Lecturas recomendadas

1. "Comprensión de las normas de compatibilidad electromagnética para fuentes de alimentación conmutadas"