Aplicaciones silenciosas con los reguladores ADI Silent Switcher μModule®

El silencio no existe en una aplicación electrónica delicada, literalmente, nunca se produce. Es decir, eliminar todo el ruido de interferencia electromagnética (EMI) de las fuentes de alimentación es prácticamente imposible. Los diferentes enfoques de diseño para mitigar este problema a menudo implican compensaciones que pueden crear una mayor complejidad.

Los ingenieros pasan por el aro para intentar reducir la EMI en aplicaciones sensibles al ruido, como fuentes de alimentación de radiofrecuencia (amplificadores), convertidores de datos de alta velocidad, instrumentación sensible y sistemas de diagnóstico e imagen médica. Por lo general, esto significa agregar más componentes, blindaje y filtros, todo lo cual puede aumentar la complejidad, el costo, el tamaño y el peso.

Las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) y los convertidores de base electrónica son una de las principales causas de EMI, lo que complica el diseño de muchas aplicaciones en sistemas de automoción, electrónica de consumo, automatización industrial y telecomunicaciones.

La conmutación rápida minimiza la pérdida de energía en convertidores CC-CC, así como en rectificadores CA-CC, inversores CC-CA y convertidores CA-CA. Sin embargo, tiene el costo de generar energía de alta frecuencia y transitorios que pueden causar conducción y radiación EMI.

Las interferencias electromagnéticas pueden degradar el rendimiento de los sistemas, interferir con las radiofrecuencias, provocar el mal funcionamiento de los componentes e impedir el funcionamiento de dispositivos críticos como marcapasos y sistemas de seguridad de automóviles. Una de las principales causas de EMI en estos sistemas es la corriente en modo común que fluye en la misma dirección a través de dos o más conductores, lo que induce campos magnéticos.

Muchas, si no la mayoría, de las aplicaciones electrónicas en EE. UU. deben cumplir la normativa de la Parte 15 de la Comisión Federal de Comunicaciones, diseñada para evitar interferencias perjudiciales, incluso de dispositivos que no sean de radiofrecuencia.Las aplicaciones industriales y de comunicaciones internacionales deben cumplir la norma CISPR 22 Clase B y las aplicaciones de automoción la norma internacional CISPR 25. Otras zonas geográficas tienen certificaciones de cumplimiento similares.

Las pruebas de EMI suelen realizarse tarde durante el ciclo de diseño, por lo que los problemas y las medidas correctoras pueden provocar costosos retrasos en el producto. Y lo que es peor, si los problemas de IEM se descubren sobre el terreno, pueden ser más difíciles de detectar y requerir costosas medidas correctoras.

Se pueden utilizar varios tipos de componentes para contrarrestar las interferencias electromagnéticas. Los reguladores lineales de baja caída (LDO) son un método convencional de bajo costo para proteger las cargas descendentes de los transitorios de tensión y el ruido de la fuente de alimentación. Sin embargo, pueden dar lugar a soluciones voluminosas y a menudo carecen de las características de protección necesarias.

Los LDO más avanzados con alta relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) mejoran la supresión del ruido, pero no mejoran directamente la eficiencia o el rendimiento térmico. Utilizados junto con reguladores de conmutación, pueden combinar un alto rendimiento con un bajo nivel de ruido.

Los diseñadores también pueden centrar sus esfuerzos en la disposición de la placa de circuito impreso para minimizar las zonas de bucle que propagan la EMI y separar los circuitos ruidosos de los sensibles. Otro enfoque, a menudo complementario, consiste en aislar o encerrar los componentes con materiales con protección de EMI, como metales y aleaciones metálicas. También, pueden utilizarse amplificadores de bajo ruido.

Cada una de estas técnicas de reducción de EMI, a menudo utilizadas en tándem, aumenta la complejidad del diseño, lo que obliga a los desarrolladores a buscar la simplificación.

Simplificación de los problemas de diseño EMI

El crecimiento de las aplicaciones que dependen de los diseños de SMPS está superando el número de diseñadores capacitados para cumplir los estrictos requisitos de EMI. A muchos diseñadores digitales se les pide que cubran las carencias provocadas por la escasez de diseñadores de fuentes de alimentación analógicas. Esta tendencia, combinada con la creciente complejidad del diseño de SMPS, señala la necesidad de una mayor integración de los componentes de SMPS para simplificar los procesos.

Analog Devices, Inc. (ADI) pasó a simplificar los desafíos de diseño de EMI con la introducción de su tecnología Silent Switcher^® en 2015. Su objetivo era optimizar las técnicas de conmutación simplificando al mismo tiempo el diseño de las placas de circuito impreso (PCB). Los dispositivos Silent Switcher de primera generación, como el LT8640, redujeron la resistencia parásita utilizando un embalaje flip-chip con pilares de cobre en lugar de alambre unido para conectar las matrices al sustrato. También, incorporaron una cadena cinemática diseñada para mejorar la eficiencia a alta frecuencia.

Aquellos dispositivos de primera generación también dividían los "bucles calientes" de alta corriente en bucles dobles con flujos opuestos que anulaban la EMI propagada. Un bucle de gran tamaño tiene muchos elementos parásitos y fuertes campos magnéticos que pueden contribuir a la EMI en forma de radiación. Los dispositivos Silent Switcher también incorporan controladores de conmutación internos para minimizar la pérdida de potencia de conmutación.

En 2017, ADI presentó un convertidor reductor sincrónico monolítico de baja EMI basado en una arquitectura Silent Switcher 2. En esta generación, dispositivos como el LT8640S-2 redujeron la dependencia de componentes externos integrando capacitores, bucles calientes y un plano de tierra dentro de un nuevo paquete LQFN. Esto permitió reducir el tamaño de las soluciones y eliminar la sensibilidad del diseño de las placas de circuito impreso para mejorar el rendimiento EMI. Además, los dispositivos Silent Switcher 2 incluyen más pilares de cobre y almohadillas expuestas de gran tamaño, lo que aumenta el rendimiento térmico y la eficiencia.

En 2021, ADI introdujo una arquitectura Silent Switcher 3 actualizada con el regulador reductor sincrónico LT8627SP, que presenta un rendimiento de ruido de baja frecuencia ultrabajo, una respuesta transitoria ultrarrápida y una alta eficiencia a altas frecuencias de conmutación mientras mantiene una EMI ultrabaja. También, ofrece una parte superior de la matriz expuesta para acoplar opcionalmente un disipador térmico que se adapte a aplicaciones de alta temperatura ambiente.

Reguladores µModule Silent Switcher 3

La tecnología Silent Switcher 3 ya está disponible en el µModule® de ADI, un componente altamente integrado en soluciones de potencia (COP). Este empaquetado proporciona un mejor rendimiento térmico y ahorra aún más en el tamaño total de la solución, permitiendo soluciones de alimentación pequeñas, eficientes y fiables.

Otras ventajas clave de los reguladores µModule son el ahorro de tiempo y la reducción del esfuerzo necesario para diseñar, probar y calificar los reguladores CC/CC. ADI integra el controlador, los MOSFET de potencia, el inductor y otros componentes de apoyo en un único paquete compacto. Pueden utilizarse como solución de alimentación para una amplia gama de aplicaciones de telecomunicaciones, redes y equipos industriales, fuentes de alimentación de RF, instrumentación de bajo ruido y convertidores de datos de alta velocidad y precisión.

El LTM4702 (Figura 1) es un regulador μModule reductor completo de 8 A en un encapsulado BGA ultracompacto de 6.25 mm × 6.25 mm × 5.07 mm, que incorpora un CI regulador silencioso basado en conmutador para una baja EMI y una alta eficiencia. Con un rango de voltaje de entrada de 3 V a 16 V, admite un rango de salida de 0.3 V a 5.7 V.

Figura 1: El μModule LTM4702 de ADI integra un controlador, los MOSFET de potencia, un inductor y otros componentes de soporte para el convertidor reductor en un encapsulado compacto mejorado. Alivia la necesidad de los LDO posteriores en aplicaciones sensibles al ruido. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Varios LTM4702 pueden funcionar en paralelo para producir corrientes de salida más altas. Se pueden poner en paralelo un máximo de 12 fases para que funcionen simultáneamente fuera de fase programando el pin PHMODE de cada LTM4702 a diferentes niveles de tensión.

Además, el regulador de conmutación sincrónico LTM4702 presenta un excepcional ruido de salida de baja frecuencia (10 Hz a 100 kHz). Es muy adecuado para aplicaciones de alta corriente y sensibles al ruido. El dispositivo utiliza una arquitectura PWM de frecuencia constante que puede programarse para conmutar de 300 kHz a 3 MHz mediante una resistencia conectada del pin RT a tierra.

Una sola resistencia ajusta la tensión de salida del LTM4702 para proporcionar una ganancia unitaria en la realimentación de la tensión de salida y un ruido de salida prácticamente constante e independiente del voltaje de salida. Para la mayoría de las aplicaciones sensibles al ruido, el LTM4702 elimina la necesidad de LDO de post regulación y filtros LC y solo se necesitan capacitores de entrada y salida para completar un diseño.

La placa de evaluación EVAL-LTM4702-AZ (Figura 2) está disponible para configurar y evaluar el rendimiento del LTM4702.

Figura 2: La placa de evaluación EVAL-LTM4702-AZ de ADI proporciona a los diseñadores un convertidor de conmutación CC/CC reductor para evaluar el rendimiento del LTM4702. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El LTM8080 (Figura 3) es un dispositivo de 40 V_IN, 500 mA dual o 1 A individual que integra reguladores LDO duales de PSRR ultra alta con un regulador CC/CC de conmutación silenciosa separados por un blindaje EMI integrado en un encapsulado BGA sobremoldeado de 9 mm × 6.25 mm × 3.32 mm, térmicamente mejorado. Admite un rango de frecuencia de conmutación de 200 kHz a 2.2 MHz y un rango de tensión de salida de 0 V a 8 V.

Figura 3: El μModule LTM8080 de ADI integra LDO duales, junto con un regulador CC/CC conmutador silencioso con un blindaje EMI entre ellos en un paquete compacto. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El regulador de conmutación frontal es una fuente de alimentación CC/CC conmutada reductora no aislada que puede suministrar hasta 1.5 A de corriente continua. Los reguladores lineales LDO back-end utilizan la arquitectura de ruido ultrabajo (2 nV/√Hz a 10 kHz) y PSRR ultra alta (76 dB a 1 MHz) de ADI. Las salidas LDO pueden ponerse en paralelo para aumentar la corriente de salida. 

Los diseñadores pueden utilizar el circuito de demostración DC3071A (Figura 4), que tiene un amplio rango de funcionamiento de 4 V a 40 V para evaluar el LTM8080.

Figura 4: El circuito de demostración DC3071A incluye un µModule LTM8080 con dos salidas, cada una de ellas de 3.3 V/0.5 A ajustables. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Conclusión:

Los reguladores μModule Silent Switcher de ADI proporcionan una solución sólida para los desafíos de EMI en aplicaciones electrónicas sensibles al ruido. Al integrar la avanzada tecnología Silent Switcher 3 en diseños de sistema en paquete altamente compactos y eficientes, estos reguladores μModule simplifican el diseño, mejoran el rendimiento térmico y eliminan la necesidad de postreguladores LDO en la mayoría de los escenarios.

Desde convertidores de datos de alta velocidad y sistemas de RF hasta equipos de imagen médica e industriales, estos reguladores μModule permiten a los ingenieros lograr un ruido ultrabajo y una alta eficiencia sin la complejidad adicional de los métodos tradicionales de reducción de EMI. Con productos como el LTM4702 y el LTM8080, Analog Devices sigue liderando la oferta de soluciones innovadoras que satisfacen las estrictas exigencias de la electrónica moderna, garantizando un rendimiento fiable incluso en las aplicaciones más críticas en cuanto a ruido.