Mito desmentido: El ruido del circuito integrado del regulador de conmutación de alta corriente puede reducirse a cerca de los números del LDO

Incluso en este mundo de tecnología en constante evolución, hay algunos clichés antiguos de “sabiduría convencional” y suposiciones que se resisten al cambio a pesar de los impresionantes avances. A veces escucho a los más experimentados decir que la forma de prolongar la vida útil de una batería recargable es agotarla por completo y luego recargarla. Si bien eso puede haber sido cierto para la química clásica de níquel-cadmio (NiCad), es absolutamente incorrecto y, de hecho, perjudicial para la vida útil de las baterías de litio actuales.

Los mismos conceptos erróneos se aplican a los reguladores de conmutación CC-CC reductores (buck), especialmente los diseñados para funcionar con voltajes de entrada más altos (varias decenas de voltios) y que generan corrientes más altas (hasta unos 10 amperios [A]). La opinión generalizada es que los reguladores de caída baja (LDO), con su topología lineal no conmutada, casi no producen ruido, pero son muy ineficientes. Por el contrario, los reguladores de conmutación (conmutadores) son relativamente ruidosos, pero muy eficientes.

Las preocupaciones sobre los conmutadores van más allá de su supuesto ruido. Si bien son eficientes (por lo general, mejor que aproximadamente el 85 % cuando funcionan en su “punto óptimo” de carga), a menudo se les asocian tres aspectos negativos:

1: Son eléctricamente ruidosos, y este ruido se produce predominantemente, pero no completamente, en su frecuencia de conmutación y su armonía.

2: Tienen respuestas transitorias deficientes y son propensos a la inestabilidad y la oscilación, a menos que su respuesta de circuito cerrado se ajuste cuidadosamente a la aplicación.

3: Los de alta potencia necesitan MOSFET externos y funcionan como controladores de dispositivos de conmutación en lugar de como reguladores con MOSFET internos y, por lo tanto, requieren más componentes y espacio en la placa.

Sin embargo, los avances recientes y las topologías innovadoras han cambiado la situación, como lo demuestra el trío LT8645S, LT8646S y LT8645S-2 de reguladores buck síncronos Silent Switcher monolíticos similares de 65 voltios de Analog Devices, cada uno capaz de admitir salidas de 8 A (Figura 1).

Figura 1: El diagrama de bloques de las funciones internas de los reguladores buck Silent Switcher muestra su complejidad, pero no puede mostrar los detalles de las técnicas utilizadas para lograr importantes mejoras de rendimiento. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Las pequeñas pero claras diferencias entre los tres dispositivos permiten a los usuarios seleccionar la configuración específica que mejor se adapte a su aplicación (Figura 2).

Figura 2: Los tres reguladores de conmutación son muy similares, pero tienen algunas diferencias de configuración sutiles que pueden ser cruciales para aplicaciones específicas. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Veamos primero el ruido, ya que es la preocupación que se cita con más frecuencia con respecto a los reguladores de conmutación. No hay duda de que un buen LDO establece el estándar para una salida de bajo ruido, pero estos reguladores de conmutación avanzados se acercan sorprendentemente.

¿Por qué preocuparse por el ruido?

El ruido de salida del regulador es perjudicial para el rendimiento del sistema de varias maneras:

• Puede afectar el rendimiento consistente y confiable de los circuitos integrados de carga, especialmente en circuitos que funcionan con voltajes de riel más bajos donde el margen de suministro es bastante pequeño.
• Afecta el nivel de rendimiento que se puede lograr, ya que corrompe la precisión de la señal analógica, como con los sensores frontales.
• El ruido del riel de salida puede ser la fuente de interferencia electromagnética (EMI) radiada y conducida. El ruido radiado es especialmente preocupante, ya que puede provocar que el producto final falle en una o más de las muchas órdenes específicas de la aplicación, como la ampliamente utilizada prueba de EMI radiada CISPR 25.

No hay de qué preocuparse

Por su diseño, la arquitectura Silent Switcher de Analog Devices garantiza un bajo nivel de ruido y, por lo tanto, un rendimiento de EMI superior. Además, como dispositivos monolíticos, este rendimiento no es sensible al diseño de la placa de circuito impreso (placa de CI), con el resultado de que la EMI inducida por componentes y diseño se elimina como una preocupación de diseño.

¿Cómo consiguen esos resultados los reguladores Silent Switcher? Los diseñadores observaron todas las formas en que se manifiestan el reloj y otras fuentes de ruido y luego idearon formas de superar cada una. Dos fuentes principales de ruido son el llamado “bucle activo”, inherente a la arquitectura de conmutación, la inductancia de traza y el timbre.

Para contrarrestar los bucles activos, el diseño de Silent Switcher divide el bucle activo en dos bucles contrapesados, de modo que sus flujos de corriente se cancelen entre sí de manera efectiva. Para abordar la inductancia de traza, la integración de capacitores de derivación en el chip elimina los problemas asociados con la inductancia de traza y el timbre de la placa de CI, al mismo tiempo que garantiza el rendimiento al eliminar la variabilidad de los componentes externos y su ubicación. El resultado es un rendimiento de emisión radiada que cumple fácilmente con los límites CISPR 25 (Figura 3).

Figura 3: Gracias a mejoras como la eliminación de los problemas de los bucles activos y la adición de capacitores de derivación integrales, la radiación de los reguladores Silent Switcher está muy por debajo de los máximos reglamentarios. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Vale la pena señalar que el ruido conducido de los dispositivos también es bajo, pero tiene límites regulatorios menos estrictos. Además, es más fácil reducir el ruido conducido usando perlas de ferrita, mientras que el ruido radiado es más difícil de atenuar e, incluso, puede requerir protección costosa y compleja.

Además, el diseño de estos reguladores de conmutación también da como resultado una respuesta transitoria mejorada. Proporcionan una regulación sólida y precisa, a pesar de los cambios de carga, y también mantienen la estabilidad del bucle en una variedad de condiciones de funcionamiento (Figura 4). Para una mayor flexibilidad, el dispositivo LT8646S permite una compensación externa de resistencia-capacitor (RC) para permitir que los diseñadores optimicen la respuesta transitoria.

Figura 4: El diseño de los reguladores Silent Switcher también produce una respuesta transitoria rápida, clara y constante, lo que da como resultado un riel de salida de CC sólido y estable, a pesar de los cambios de carga. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Finalmente, la integración de MOSFET de alta potencia trae múltiples ventajas:

• Menores emisiones de ruido debido a la eliminación de las trazas de placa de CI para los MOSFET.
• Suministro de entrada constante para el rendimiento del riel de salida, completamente especificado en la hoja de datos.
• Un espacio general más pequeño: estos reguladores 8-A están alojados en paquetes LQFN de 6 milímetros (mm) × 4 mm y requieren solo unos pocos componentes pasivos pequeños para un circuito completo (Figura 5).

Figura 5: Un subsistema regulador de suministro completo basado en el LT8645S-2 (u otras partes de la familia) es compacto y tiene una lista de materiales (BOM) corta. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Una última e importante pregunta: ¿Hay un impacto negativo o se ve comprometida la eficiencia al usar estos reguladores Silent Switcher de alto voltaje y alta corriente? Después de todo, la alta eficiencia es, por mucho, la razón principal por la que se usa un conmutador en lugar de un suministro lineal.

La respuesta es sencilla: La eficiencia de estos dispositivos está en la misma zona que la de los reguladores más ruidosos (Figura 6). Va desde alrededor del 90 % al 96 % de 1 A a un máximo de 8 A, con un “punto óptimo” entre 2 y 4 A.

Figura 6: La eficiencia de los reguladores Silent Switcher de 8 A es de alrededor del 95 %, excepto en los extremos muy bajo y muy alto del valor de salida actual. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Conclusión

Los reguladores de conmutación ofrecen la virtud más importante de la alta eficiencia, pero también pueden ser la fuente de ruido radiado que es excesivo para el circuito, el sistema y las órdenes regulatorias. La arquitectura innovadora de los reguladores CC-CC Silent Switcher de Analog Devices supera estas y otras deficiencias de los reguladores de conmutación convencionales sin comprometer los atributos de rendimiento deseados.

Contenido relacionado

Analog Devices, “Reguladores reductores monolíticos de 65 V, 8 A con respuesta transitoria rápida y emisiones de EMI ultrabajas”

https://www.analog.com/en/design-notes/monolithic-65v-8a-step-down-regulators-with-fast-transient-response-and-ultralow-emi-emissions.html

Analog Devices, “¿Qué es en realidad un bucle activo?”

https://www.analog.com/en/technical-articles/what-actually-is-a-hot-loop.html