Come usare piccoli convertitori c.c./c.c. modulari per ridurre al minimo il rumore del rail di alimentazione

Il rumore è una considerazione intrinseca e solitamente inevitabile in quasi tutti i progetti di sistemi. Mentre alcuni rumori provengono da fonti esterne e non ricadono direttamente sotto il controllo del progettista, altri tipi di rumore sono generati dal circuito stesso. In molti casi, è fondamentale che il progettista riduca al minimo le fonti di rumore, in particolare il rumore sui rail di alimentazione, perché può influenzare i circuiti analogici e digitali sensibili.

Il risultato può essere una prestazione erratica del circuito, una risoluzione e una precisione ridotte e un tasso degli errori di bit (BER) più alto, nel migliore dei casi. Nel peggiore dei casi, può causare un malfunzionamento totale del sistema o problemi di prestazioni frequenti o intermittenti, entrambi difficili da risolvere.

Sono due i principali problemi di rumore con i regolatori c.c./c.c. a commutazione e i loro rail di uscita: il rumore di ripple e il rumore irradiato. Il rumore generato all'interno di un circuito è soggetto a mandati normativi di compatibilità elettromagnetica (EMC) e deve essere al di sotto dei livelli specificati nelle varie bande di frequenza.

La sfida per i progettisti è quella di capire l'origine del rumore interno ed "eliminarlo" o comunque mitigarlo. Questo articolo utilizzerà i regolatori c.c./c.c. di Monolithic Power Systems, Inc. per discutere le opzioni quando si minimizzano i problemi di rumore del regolatore.

Iniziare dalla fonte e dal tipo di rumore

Il rumore più facile da osservare, e quello che ha un impatto diretto sulle prestazioni del circuito, è il ripple alla frequenza di commutazione. Questo ripple è tipicamente dell'ordine di 10-20 mV (Figura 1). Anche se non è di natura casuale, è comunque una manifestazione di rumore con implicazioni sulle prestazioni del sistema. Il livello di millivolt di tale ripple non è generalmente un problema per i CI digitali a tensione più alta che funzionano con rail a 5 V e oltre, ma può essere un problema per i circuiti digitali a tensione più bassa che funzionano sotto i 3 V. Il ripple sui rail di alimentazione è anche una preoccupazione importante per i circuiti e i componenti analogici di precisione ed è per questo che la specifica del rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR) per tali dispositivi è critica.

Figura 1: Il ripple sul rail c.c., risultato dell'azione di commutazione del regolatore, può influenzare le prestazioni di base di un circuito o i risultati di precisione. (Immagine per gentile concessione di Monolithic Power Systems, Inc.)

L'azione di commutazione di un regolatore c.c./c.c. può anche irradiare rumore a radiofrequenza (RF). Anche se i millivolt di ripple sul rail c.c. sono tollerabili, c'è anche il problema delle emissioni elettromagnetiche che compromettono la compatibilità elettromagnetica. Questo rumore ha una frequenza fondamentale nota compresa tra alcuni kilohertz fino a diversi megahertz, a seconda del convertitore di commutazione, e ha anche molte armoniche.

Tra gli standard normativi EMC più comunemente citati ci sono CISPR 22 e CISPR 32, "Information Technology Equipment-Radio Disturbance Characteristics-Limits and Methods of Measurement" (CISPR sta per "Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques"). C'è anche lo standard europeo EN 55022, derivato principalmente dallo standard di prodotto CISPR 22, con prove effettuate in condizioni accuratamente definite.

CISPR 22 è stato adottato per l'uso dalla maggior parte dei membri della Comunità Europea. Mentre le norme FCC Parte 15 negli Stati Uniti e CISPR 22 sono stati concepiti per essere relativamente armoniosi, ci sono alcune differenze. CISPR 22/EN 55022 è stato "assorbito" da CISPR 32/EN 55032, un nuovo standard di famiglia di prodotti per apparecchiature multimediali (MME) che è efficace come standard armonizzato in conformità alla direttiva EMC.

Le apparecchiature destinate principalmente all'uso in un ambiente residenziale devono soddisfare i limiti della classe B, mentre tutte le altre apparecchiature sono conformi alla classe A (Figura 2). I prodotti progettati per i mercati nordamericani devono essere conformi ai limiti stabiliti dalla sezione 15.109 della Federal Communications Commission (FCC) Parte 15, sottoparte B, per i radiatori involontari. Così, anche se il rumore elettrico irradiato da un regolatore c.c. non influisce negativamente sul prodotto stesso, quel rumore può ancora essere inaccettabilmente alto rispetto al rispetto dei vari mandati normativi.

Figura 2: Questo è uno dei molti grafici forniti da CISPR 32/EN 55032 che definisce i limiti di emissione in funzione della frequenza per varie classi di prodotti di consumo. (Immagine per gentile concessione di Academy of EMC, "EMC Standards")

Affrontare i problemi di EMC è un argomento complicato che non ha una soluzione semplicistica. Tra le altre cose, la misurazione e i limiti consentiti di queste emissioni sono una funzione della frequenza operativa del circuito, della distanza, del livello di potenza e della classe di applicazione. Per queste ragioni, ha senso controllare le molte risorse tecniche e forse anche i consulenti che possono fornire indicazioni e competenze.

Detto questo, i progettisti hanno tre strategie di base per ridurre al minimo il rumore per evitare problemi di prestazioni del circuito e soddisfare il mandato di rumore appropriato:

• Utilizzare un regolatore a bassa caduta di tensione (LDO).
• Aggiungere filtraggio esterno a un regolatore a commutazione per ridurre il rumore visto dal carico sui rail c.c.
• Scegliere un modulo regolatore a commutazione che incorpori componenti altrimenti esterni al CI del regolatore, come induttori o condensatori. Il modulo risultante è progettato e garantito per fornire rail a basso rumore e quindi ha bisogno di un filtraggio esterno minimo o nullo.

Partire dagli LDO

Poiché l'architettura LDO non ha clock o commutazione, è caratterizzata da un rumore EMC intrinsecamente basso e nessun ripple della linea di uscita - centinaia di milioni di LDO sono utilizzati ogni anno. Se applicato a un design adeguato, può essere una soluzione efficace.

Ad esempio, l'LDO MP20075 di Monolithic Power Systems si rivolge specificamente alle terminazioni attive del bus per la memoria sincrona dinamica ad accesso casuale (SDRAM) a doppia velocità dati (DDR) 2/3/3L/4 (Figura 3). Questo l'LDO è in un alloggiamento MSOP a 8 pin e può dissipare e generare fino a 3 A a una tensione impostabile dall'utente tra 1,05 e 3,6 V e presenta una tensione di tracciamento V_REF/2 di precisione per una terminazione accurata.

Figura 3: L'LDO MP20075 può dissipare o generare fino a 3 A ed è ottimizzato per le esigenze di terminazione di varie classi di SRAM DDR. (Immagine per gentile concessione di Monolithic Power Systems)

Il divisore integrato in MP20075 traccia la tensione di riferimento (REF) per garantire tensioni di uscita VTT e VTTREF accurate, mentre il rilevamento Kelvin lo aiuta a raggiungere una precisione di ±30 mV per VTT e ±18 mV per VTTREF. Inoltre, come con la maggior parte degli LDO, la topologia analogica ad anello chiuso fornisce una risposta molto veloce ai transitori di carico in uscita, dell'ordine di pochi microsecondi (Figura 4). Tale risposta è spesso critica nei circuiti ad alta velocità come le terminazioni SRAM DDR per le quali è stato progettato questo LDO.

Figura 4: Il progetto analogico ad anello chiuso dell'LDO contribuisce alla sua risposta molto veloce alle richieste di transitori da parte del carico; tali prestazioni sono necessarie per applicazioni come la terminazione SRAM DDR. (Immagine per gentile concessione di Monolithic Power Systems)

Nonostante le sue caratteristiche intrinseche di basso rumore e facilità d'uso, l'LDO ha delle limitazioni. In primo luogo, è molto meno efficiente di un regolatore a commutazione, che a sua volta porta due ovvie preoccupazioni: il calore che dissipa si aggiunge al carico termico del sistema e l'efficienza ridotta ha un impatto negativo sul tempo di esercizio per i dispositivi portatili a batteria. Per queste ragioni, gli LDO sono più comunemente usati per correnti di uscita fino a circa 1 - 3 A (come mostrato da MP20075), poiché la "penalizzazione" dell'efficienza diventa spesso eccessiva oltre tale valore.

C'è un'altra limitazione intrinseca degli LDO: possono solo fornire una regolazione step-down (buck) e non possono potenziare un'alimentazione c.c. in ingresso non regolata oltre il suo valore nominale. Se è necessaria un'uscita in modalità boost, l'LDO è automaticamente escluso come opzione per un regolatore c.c./c.c.

Perfezionare il layout, aggiungere qualche filtro

Quando si usa un regolatore a commutazione, sia per il funzionamento boost che buck, la sua azione di commutazione è una fonte intrinseca e inevitabile di rumore. L'aggiunta di un ulteriore filtraggio in uscita è più facile quando il regolatore funziona a una frequenza fissa. Consideriamo MP2145, un regolatore a commutazione step-down sincrono da 5,5 V, 6 A, alloggiato in un contenitore QFN da 12 conduttori, 2 × 3 mm, con MOSFET integrati da 20 mΩ e 12 mΩ (Figura 5).

Figura 5: MP2145, un regolatore a commutazione step-down sincrono da 5,5 V, 6 A, include MOSFET integrati da 20 mΩ e 12 mΩ nel contenitore QFN di 2 × 3 mm. (Immagine per gentile concessione di Monolithic Power Systems)

Un convertitore buck sincrono come MP2145 consiste in un condensatore d'ingresso C_IN, due interruttori (S1 e S2) con i loro body diode, un induttore di potenza per l'immagazzinaggio dell'energia (L) e condensatori di uscita (C_OUT). I condensatori di uscita (C_OUT) sono posti all'uscita per livellare la tensione di uscita in stato stazionario. Questi formano un filtro di primo stadio e riducono il ripple della tensione di uscita fornendo un percorso a bassa impedenza per i componenti di tensione ad alta frequenza per tornare a terra.Tipicamente, un tale condensatore di uscita shunt può ridurre efficacemente il ripple della tensione di uscita a 1 mV.

Per ridurre ulteriormente il ripple della tensione di uscita, è necessario un filtro di uscita di secondo stadio, con un filtro induttore-condensatore (LC) in cascata ai condensatori di uscita di primo stadio (Figura 6). L'induttore di filtraggio (L_f) è resistivo nel campo di alta frequenza previsto e dissipa l'energia di rumore sotto forma di calore. L'induttore si combina con condensatori shunt aggiuntivi per formare una rete di filtro LC passa-basso.

Figura 6: L'aggiunta di un filtro LC di secondo stadio all'uscita di un regolatore a commutazione come MP2145 può ridurre il ripple di uscita. (Immagine per gentile concessione di Monolithic Power Systems)

Le schede tecniche e le note applicative del fornitore forniscono equazioni e linee guida per il dimensionamento dei componenti dell'induttore, del condensatore e del resistore di smorzamento di questo filtro. Identificano anche i parametri secondari critici come la massima resistenza c.c. dell'induttore (DCR) e la corrente di saturazione, e la massima resistenza equivalente in serie (ESR) del condensatore. I valori tipici di induttanza vanno da 0,22 µH a 1 µH.

Anche il layout di questi componenti è fondamentale per ottenere le massime prestazioni possibili. Un layout mal concepito può risultare in una cattiva regolazione della linea o del carico, un aumento del ripple e altri problemi di stabilità. Il condensatore di ingresso (Cin) per MP2145 dovrebbe essere posizionato il più vicino possibile ai pin del CI (Figura 7).

Figura 7: Il condensatore di ingresso MP2145 (Cin qui, in basso a destra; e C1 nello schema della Figura 5) dovrebbe essere il più vicino possibile al pin 8 (il pin di ingresso alimentazione) e ai pin 10/11/12 (i pin GND dell'alimentazione). (Immagine per gentile concessione di Monolithic Power Systems)

I moduli offrono garanzia di prestazioni

I moduli portano l'implementazione dei regolatori c.c./c.c. al livello successivo di integrazione del sistema. Così facendo, minimizzano o eliminano le preoccupazioni legate alla selezione e al posizionamento dei componenti esterni e forniscono specifiche garantite. I moduli incorporano componenti aggiuntivi, principalmente il tradizionale e problematico induttore esterno. Come tali, riducono le sfide associate al dimensionamento, al posizionamento e all'orientamento dei componenti passivi, tutti fattori che hanno un impatto sulla compatibilità elettromagnetica e sulle prestazioni legate al ripple.

Ad esempio, MPM3833C è un modulo step-down con MOSFET di potenza integrati e un induttore, che fornisce fino a 3 A di corrente di uscita continua da una tensione di ingresso compresa tra 2,75 e 6 V, insieme a un'eccellente regolazione di carico e linea (Figura 8). Solo i resistori di retroazione, i condensatori di ingresso e i condensatori di uscita sono necessari per completare il progetto. L'induttore, di solito il componente esterno più difficile da specificare e posizionare, è interno al modulo e quindi non è un problema per quanto riguarda il posizionamento corretto per minimizzare le interferenze elettromagnetiche (EMI) e il ripple.

Figura 8: Il modulo c.c./c.c. MPM3833C include l'induttore potenzialmente problematico nelle sue specifiche di progettazione e prestazione. (Immagine per gentile concessione di Monolithic Power Systems)

Questo modulo è alloggiato in un contenitore ultracompatto QFN-18 (2,5 × 3,5 × 1,6 × mm) e ha una tensione di ripple tipica di 5 mV. Il basso livello di emissioni irradiate (EMI) è conforme allo standard EN55022 Classe B, mostrato nella Figura 9 per condizioni di V_IN = 5 V, V_OUT = 1,2 V, I_OUT = 3 A, CO = 22 pF, a 25 °C.

Figura 9: La scheda tecnica del modulo c.c./c.c. MPM3833C mostra che soddisfa facilmente lo standard EN55022 Classe B per le emissioni irradiate. (Immagine per gentile concessione di Monolithic Power Systems)

Con le moderne tecniche di microincapsulamento, la dimensione complessiva di un modulo è solo leggermente maggiore del die interno; il profilo ribassato è un parametro sempre più importante. Si consideri MPM3650, un modulo di alimentazione step-down completamente integrato, a 1,2 MHz, sincrono e raddrizzato con un induttore interno (Figura 10). Fornisce fino a 6 A di corrente di uscita continua per uscite da 0,6 a 1,8 V e fino a 5 A per uscite superiori a 1,8 V, su un ampio intervallo di ingresso da 2,75 a 17 V, con un'eccellente regolazione di carico e linea. Con i suoi MOSFET interni e induttore embedded, il contenitore QFN-24 misura solo 4 × 6 × 1,6 mm.

Figura 10: Il modulo MPM3650 con induttore integrato eroga fino a 6 A fino a 1,8 V e 5 A sopra 1,8 V, in un contenitore di 4 × 6 × 1,6 mm. (Immagine per gentile concessione di Monolithic Power Systems)

Un altro vantaggio dell'approccio modulare è che il rumore di ripple è ben controllato a circa 20 mV senza carico, scendendo a circa 5 mV con un carico di 6 A (Figura 11). Questo significa che in molti casi il filtraggio esterno aggiuntivo non è necessario, semplificando così la progettazione, riducendo l'ingombro e la distinta base (BOM).

Figura 11: Il rumore di ripple del modulo MPM3650 è specificato a circa 20 mV a carico zero e a circa 5 mV a pieno carico. (Immagine per gentile concessione di Monolithic Power Systems)

Spesso è utile fare un po' di pratica con i moduli regolatori c.c./c.c. per valutare se le loro prestazioni statiche e dinamiche soddisfino il requisito di sistema, anche oltre ciò che è indicato nella scheda tecnica. Per accelerare il processo, Monolithic Power Systems offre EVM3650-QW-00A, una scheda di valutazione a quattro strati di 63,5 × 63,5 × 1,6 mm specifica per MPM3650 (Figura 12).

Figura 12: Utilizzando la scheda di valutazione EVM3650-QW-00A, gli utenti interessati al modulo c.c./c.c. MPM3650 possono valutarne rapidamente le prestazioni nella loro applicazione. (Immagine per gentile concessione di Monolithic Power Systems)

La scheda di valutazione insieme alla relativa scheda tecnica serve a molteplici scopi. In primo luogo, permette all'utente di valutare facilmente i molti attributi prestazionali di MPS3650 in una vasta gamma di condizioni operative, alcune delle quali potrebbero non essere ovvie o menzionate nella scheda tecnica. In secondo luogo, la scheda tecnica contiene lo schema completo, la distinta base e i dettagli di layout della scheda, così gli utenti di MPS3650 possono usarli nel loro progetto per ridurre il rischio e minimizzare le incertezze (Figura 13).

Figura 13: Il pacchetto della scheda di valutazione EVM3650-QW-00A include uno schema completo, la distinta base e i dettagli di layout per ridurre il rischio e le incertezze. (Immagine per gentile concessione di Monolithic Power Systems)

La scheda di valutazione offre ai progettisti l'opportunità di comprendere meglio le prestazioni del modulo, con il risultato di un alto livello di fiducia nella progettazione insieme a un ridotto time-to-market.

Esiste un altro tipo di rumore

Quando i progettisti parlano di "rumore", si riferiscono quasi sempre a una manifestazione di rumore elettronico nel circuito come il ripple o le EMI. Tuttavia, con i regolatori a commutazione, esiste un altro potenziale tipo di rumore: quello acustico. Per i regolatori che funzionano oltre la gamma dell'udito umano - generalmente considerata nei 20 kHz - tale rumore non sarà un problema. Tuttavia, alcuni regolatori a commutazione funzionano entro la gamma audio, mentre altri che funzionano a frequenze molto più alte scendono nella gamma audio durante i periodi di inattività o di standby per ridurre al minimo il consumo energetico.

Questo rumore udibile è dovuto a uno o a entrambi i noti fenomeni fisici dell'effetto piezoelettrico e dell'effetto magnetostrittivo. Nel caso dell'effetto piezoelettrico, le oscillazioni elettriche del circuito guidate dal clock fanno vibrare i componenti come i condensatori ceramici in sincronia con il clock di commutazione, poiché l'energia elettrica viene trasformata in movimento meccanico dai materiali cristallini del condensatore. Nel caso dell'effetto magnetostrittivo, che è in qualche modo parallelo all'effetto piezoelettrico, i materiali magnetici, come i nuclei di induttori o trasformatori, cambiano forma e dimensioni durante i cicli di magnetizzazione guidati dal clock. Il condensatore o l'induttore/trasformatore interessato agisce quindi da "circuito di pilotaggio" meccanico e fa risuonare l'intero circuito, amplificando e trasmettendo così le vibrazioni udibili.

A causa di uno o entrambi questi effetti, le persone con un buon udito spesso si lamentano del ronzio costante e a basso volume quando sono in prossimità di dispositivi elettronici. Si noti che questo rumore acustico è a volte generato anche da componenti di circuiti di alimentazione a bassa frequenza di 50/60 Hz, quindi anche chi non ha un buon udito alle alte frequenze può sentire un ronzio.

Affrontare il rumore acustico richiede approcci e tecniche diverse da quelle utilizzate per l'attenuazione del rumore elettronico.

Conclusione

Gli LDO sono una soluzione a zero o basso rumore al problema del ripple sulla linea c.c. e delle EMI, ma generalmente non sono un'opzione di regolazione pratica sopra pochi ampere. I regolatori a commutazione con filtraggio appropriato o quelli specificamente progettati per prestazioni a basso rumore sono un'alternativa.

I moduli regolatori c.c./c.c. completi che incorporano componenti come l'induttore nel loro piccolo contenitore offrono un'altra serie di soluzioni. Riducono le incertezze di progettazione per quanto riguarda il layout e la selezione dei componenti e forniscono prestazioni del sottosistema completamente testate e quantificate.

Letture consigliate

1. "Conoscere gli standard di compatibilità elettromagnetica per gli alimentatori a commutazione"