Utilice el regulador de conmutación adecuado para obtener eficiencia, bajo ruido de riel y una rápida respuesta transitoria.

La calidad del riel de CC es un factor crítico para mantener el rendimiento del sistema en aplicaciones como la conectividad inalámbrica, que dependen de circuitos analógicos con niveles de señal bajos y en diseños digitales con tensiones de riel de alimentación bajas. Además de la eficiencia de conversión, la precisión de salida, la estabilidad y la regulación de línea y carga, la calidad del riel de CC también se caracteriza por factores como su ruido inherente y su respuesta transitoria a los cambios dinámicos de carga.

Sin embargo, múltiples generaciones de avances en la sólida serie Silent Switcher de Analog Devices han generado una tecnología que, cuando se aplica adecuadamente, puede proporcionar la salida de CC de bajo ruido necesaria y una respuesta transitoria ultrarrápida.

Este artículo se centra en estos reguladores de conmutación CC/CC fáciles de usar y de alto rendimiento, en los problemas que resuelven y en las ventajas que aportan. Utiliza ejemplos de aplicación de Analog Devices para mostrar cómo maximizar su rendimiento.

La familia Silent Switcher

La familia Silent Switcher de reguladores de conmutación CC/CC de Analog Devices se encuentra ahora en su tercera generación. La primera generación, Silent Switcher 1, se centró en reducir el ruido de alta frecuencia asociado a los reguladores de conmutación. Al mismo tiempo, ofrecía tres ventajas clave: baja interferencia electromagnética (EMI), alta eficiencia y alta frecuencia de conmutación (para componentes relacionados más pequeños).

Posteriormente, Analog Devices introdujo el Silent Switcher 2, que mantenía las características de su predecesor y agregó capacitores de precisión integrados, un factor de forma más compacto y la eliminación de la sensibilidad a la disposición de la placa de circuito impreso (placa ci).

La tercera generación, Silent Switcher 3, se basa en las capacidades únicas de las dos primeras. Aporta ventajas como una rápida respuesta transitoria y un ruido ultrabajo en la banda de baja frecuencia (Figura 1).

Figura 1: Cada generación sucesiva del regulador CC/CC Silent Switcher ha conservado y luego ampliado las características y funciones de su predecesor. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Soluciones de ruido del Simple Switcher

Para conseguir el bajo nivel de ruido de las dos primeras generaciones, los diseñadores examinaron las múltiples fuentes de ruido y exploraron formas innovadoras de evitarlas, minimizarlas o incluso anularlas. Esto requería un planteamiento polifacético. Por ejemplo, la principal fuente de ruido en una fuente de alimentación conmutada es la conmutación de corrientes, en lugar del flujo de corriente en estado estacionario. En la topología de un regulador de conmutación convencional, existe una ruta de flujo de corriente denominada bucle caliente. El bucle caliente es la principal fuente de ruido de alta frecuencia que se emite al aire, causando EMI. La primera generación de reguladores CC/CC de Silent Switcher divide de forma innovadora el bucle caliente en dos bucles de corriente de forma simétrica. Así se crean dos campos magnéticos de polaridades opuestas, de modo que el ruido radiado se anula en gran medida.

La generación Silent Switcher 2 minimiza los bucles calientes críticos integrando capacitores de entrada directamente en el paquete de CI.

La arquitectura 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 capacitor de cerámica internos en la tensión de entrada de CC (V_IN) ayudan a mantener pequeños los bucles rápidos de corriente alterna para mejorar aún más. La arquitectura de Silent Switcher también utiliza técnicas de diseño y embalaje patentadas que maximizan la eficiencia a frecuencias muy altas, lo que le permite superar los límites de EMI máxima de clase 5 de la norma CISPR 25.

Además, se utiliza el posicionamiento de tensión activa (AVP), una técnica en la que la tensión de salida depende de la corriente de carga. La tensión de salida se regula por encima del valor nominal con cargas ligeras y por debajo de ese valor a plena carga. La regulación de la carga de CC se ajusta para mejorar el rendimiento transitorio y reducir los requisitos del capacitor de salida.

Silent Switcher 3 y respuesta transitoria

La respuesta transitoria se refiere a la capacidad de un regulador para responder a cambios bruscos de carga y se ha convertido en un parámetro cada vez más importante. Por ello, la tercera generación se centró en proporcionar una respuesta transitoria ultrarrápida, además de minimizar el ruido de baja frecuencia (de 10 Hz a 100 kHz).

La creciente preocupación por la respuesta transitoria se debe a las unidades de procesamiento de señales y los sistemas en chip (SoC), que a menudo presentan perfiles transitorios de carga que cambian bruscamente. Este transitorio de carga provocará una perturbación en la tensión de alimentación, un factor crítico para los diseños de RF de alto rendimiento. Por ejemplo, una tensión de alimentación variable afectará significativamente a la frecuencia de reloj del sistema.

En consecuencia, los SoC de RF suelen aplicar un tiempo de supresión durante el transitorio de carga. En las aplicaciones 5G, la calidad de la información está muy relacionada con este periodo de supresión durante la transición. Minimizar el efecto de los transitorios de carga en la fuente de alimentación mejorará el rendimiento del sistema.

Para cumplir estos objetivos, los dispositivos monolíticos Silent Switcher 3 incorporan un diseño de amplificador de error de altísimo rendimiento que proporciona estabilización adicional incluso con una compensación agresiva. La frecuencia de conmutación máxima de 4 megahercios (MHz) permite al circuito integrado ampliar el ancho de banda del bucle de control hasta mediados de los cien kHz en un modo de control de corriente de pico de frecuencia fija. Además, múltiples innovaciones mitigan las sutilezas que dificultan la respuesta transitoria:

Separación de cargas: En un diseño típico, una carga de 1 V consta de circuitos de transmisión y recepción, osciladores locales (LO) y osciladores controlados por tensión (VCO). Las cargas de transmisión/recepción experimentan cambios bruscos en la corriente de carga durante el funcionamiento dúplex por división de frecuencia (FDD). Al mismo tiempo, los LO y VCO ven una carga constante, pero requieren alta precisión y bajo ruido.

La característica de gran ancho de banda de estos dispositivos permite a los diseñadores alimentar los dos grupos de carga críticos de 1 V desde un CI regulador separando las cargas dinámicas y estáticas con un segundo inductor (L2) (Figura 2, arriba). La respuesta transitoria de la carga es rápida, con una desviación mínima de VOUT, y no afecta a la carga estática (Figura 2, abajo).

Figura 2: Se muestra un circuito de aplicación para el Silent Switcher que separa las cargas de RF dinámica y estática con un inductor (L2) para mejorar el rendimiento (arriba); la respuesta transitoria de la carga es rápida con una desviación mínima de V_OUT y no afectará a la carga estática (abajo). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Posfiltrado con inductancia equivalente minimizada: En el modo dúplex por división de tiempo (TDD), los LO y VCO sensibles al ruido se cargan y descargan con los cambios de modo de transmisión/recepción. Así, se puede utilizar un circuito simplificado ya que todas las cargas se consideran dinámicas; al mismo tiempo, se requiere un postfiltrado más crítico para mantener las características de bajo rizado y ruido para los LO y VCO.

Un capacitor de tres terminales en modo de paso puede lograr un postfiltrado suficiente con una inductancia equivalente mínima, manteniendo así un ancho de banda rápido para los transitorios de carga (Figura 3, arriba). El capacitor de paso, junto con los capacitores de salida del lado remoto, forman dos etapas de filtro inductor-capacitor (LC) adicionales. Toda la inductancia se debe a la inductancia serie equivalente (ESL) del capacitor de tres terminales, que es muy pequeña y menos perjudicial para el transitorio de carga. El capacitor de paso mejora la respuesta transitoria a la vez que minimiza la ondulación de la tensión de salida (Figura 3, abajo).

Figura 3: Se muestra un circuito de aplicación para cargas de RF dinámicas/estáticas combinadas que utiliza un condensador de paso de tres terminales (esquina superior derecha) para proporcionar postfiltrado con una inductancia equivalente mínima para mantener un ancho de banda rápido para los transitorios de carga. El capacitor de paso mejora la respuesta transitoria al tiempo que minimiza la ondulación de la tensión de salida (abajo). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Precarga: En algunos casos, la unidad de procesamiento de señales dispone de E/S de propósito general (GPIO); además, el procesamiento de señales está programado y el evento transitorio se conoce de antemano. Esto suele ocurrir en algunos diseños de fuentes de alimentación FPGA, donde la señal de precarga puede generarse para ayudar a potenciar la respuesta transitoria de la fuente.

En un circuito de aplicación típico (Figura 4, arriba), si la FPGA genera una señal de precarga para proporcionar una polarización antes de la carga real, la transición permite al dispositivo disponer de tiempo adicional para adaptarse a la perturbación de la carga con una desviación y recuperación de V_OUT mínimas (Figura 4, abajo).

Figura 4: Se muestra una señal de precarga introducida en la patilla de entrada negativa de un amplificador de error (OUTS) para obtener una respuesta transitoria rápida; la realimentación del regulador se ve afectada tanto por la señal de precarga como por la carga transitoria (abajo). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Caída activa: En las aplicaciones de formación de haces (Figura 5, arriba), la tensión de alimentación cambia continuamente para adaptarse a distintos niveles de potencia. En consecuencia, el requisito de precisión para la tensión de alimentación suele ser de 5% a 10%. En esta aplicación, la estabilidad es más importante que la precisión de la tensión, ya que minimizar el tiempo de recuperación durante el transitorio de carga maximiza la eficiencia del procesamiento de datos. Un circuito de caída es adecuado para esta aplicación, ya que la tensión de caída reducirá o incluso eliminará el tiempo de recuperación (Figura 5, abajo).

Figura 5: La colocación de una resistencia de caída activa (R8) entre OUTS y VC ayuda a conseguir una rápida recuperación transitoria (arriba); la respuesta transitoria de caída puede adaptarse para minimizar el tiempo de recuperación transitoria (abajo). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Los dispositivos aplican y validan las innovaciones

Estos conceptos de reducción de ruido y mejora de transitorios se han incorporado a la familia de dispositivos monolíticos Silent Switcher 3. Admiten una amplia gama de tensiones y corrientes máximas, al tiempo que ofrecen a los usuarios flexibilidad y rendimiento sin concesiones. Dos ejemplos lo dejan claro: el LT8622SAV#PBF (Figura 6, arriba) y el LT8627SPJV#TRPBF (Figura 6, abajo).

En el extremo inferior del rango de corriente y potencia, el LT8622SAV#PBF es un interruptor de salida continua de 2 amperios (A) para entradas de 2.7 V a 18 V. Tiene un rango de tensión de salida de 0 V a V_IN - 0.5 V que se puede programar con una sola resistencia. La eficiencia en la mayor parte de su rango de corriente de salida es de al menos 90% y alcanza los 95%.

Figura 6: Se muestra el LT8622 de 2 A en una configuración de aplicación típica, junto con sus curvas de eficiencia y pérdida de potencia (arriba) (nota: el LTC8624 del esquema es idéntico al LT8622 con las mismas curvas, pero tiene una clasificación de 4 A); también se muestra la misma información para el LT8627 de 16 A (abajo). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El LT8622SAV#PBF ofrece un excepcional rendimiento de ruido de salida de baja frecuencia (0.1 Hz a 100 kHz) en un regulador de conmutación, con un ruido RMS de solo 4 μV_RMS. La frecuencia de funcionamiento es ajustable y puede sincronizarse entre 300 kHz y 6 MHz. El dispositivo está alojado en un pequeño paquete LQFN de 20 terminales de 4 mm × 3 mm.

El LT8627SPJV#TRPBF de 16 A de mayor potencia tiene una tensión de entrada de 2.8 V a 18 V, mientras que la tensión de salida es ajustable mediante resistencia de 0 a _VIN - 0.5 V. La eficiencia supera los 80% y alcanza los 90% en el punto óptimo de gama media a una frecuencia de conmutación de 1 MHz. Su rendimiento de ruido de salida de baja frecuencia es el mismo que el del LT8622SAV#PBF de 2 A.

La frecuencia de funcionamiento también es ajustable y puede funcionar y sincronizarse entre 300 kHz y 4 MHz, inferior a la de su hermano de menor corriente. Su paquete es un LQFN de 24 terminales de 4 mm × 4 mm ligeramente más grande con la parte posterior expuesta para un disipador opcional.

Conclusión

Los diseñadores de productos innovadores, especialmente en el área de RF de vanguardia, exigen eficiencia, pero esta debe ir acompañada de un bajo nivel de ruido y una rápida respuesta transitoria en la tensión de alimentación. La familia de reguladores CC/CC Silent Switcher 3 de Analog Devices es la nueva generación de dispositivos monolíticos de alta eficiencia optimizados para un rendimiento sensible al ruido y con transitorios de carga dinámicos en múltiples aplicaciones.